蓝牙的组件
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发布时间：2022-04-22 14:56
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时间：2023-07-05 17:02
蓝牙组件的功能单元
1．无线射频单元
发射功率按标称0dBm设计，符合FCC关于ISM频段要求。由于采用了跳频扩频技术，发射功率可增加到20dBm。系统最大跳频速度为1600跳/s，在2.402~2.480GHz间采用79个1MHz带宽的频点，通信距离为10cm~10m，增加发射功率可达100m。采用FM调制方式和TDD双工方式，以降低组件的复杂性。
2．连接控制单元
连接控制单元是实现基带协议和其他底层连接规程的基带部分。包括建立网络连接、差错控制和安全控制三方面的内容。
2. 1建立网络连接
所有组件在微微网建立之前均处于等待（STANDBY）状态，未连接的组件每隔1.28秒就被唤醒一次，组件一旦被唤醒，就在预先设定的32个跳频频率上监听信息。连接进程由主组件发起，如果一个组件的地址已知，使用寻呼信息（PAGE message）建立连接；如果地址未知，使用查询信息（INQUIRY message）建立连接。
不传输数据时组件转入节能工作状态，节能工作状态有三种模式：保持方式（HOLD）、监听方式（SNIFF）和休眠方式（PARK）。主组件可将从组件设置为保持方式，从组件也可以要求转入保持方式，此时，只有内部定时器工作。连接几个微微网或低功耗器件（如温度传感器）的组件常使用保持方式。监听方式和休眠方式是另外两种低功耗工作方式。监听方式下，从组件监听网络的时间间隔增大，其间隔大小可视应用情况由编程确定；在休眠方式下，组件放弃了MAC地址，仅偶尔监听网络同步信息和检查广播信息。
蓝牙基带技术支持两种连接方式，主要用于话音传输的面向连接方式（SCO）和主要用于分组数据传输的无线连接方式（ACL）。在同一微微网中不同的主从组件可以采用不同的连接方式，在一次通信中，连接方式可以任意改变。两种连接均采用时分双工通信。SCO为对称连接，支持限时的话音传送，主从组件无须轮询即可发送数据，ACL是面向分组的连接，它支持对称和非对称两种传输流，也支持广播信息，在ACL方式下，主组件控制链路带宽，负责从组件带宽的分配；从组件以轮询方式发送数据。
2.2差错控制
基带控制器采用三种纠错方式，1/3正向纠错；2/3正向纠借；自动请求重发。采用何种纠错方式根据需要而定，但分组报头始终采用1/3FEC方式进行保护。
2.3安全控制
蓝牙通过鉴权与加密服务为业务数据提供安全保障。鉴权采用查询/应答（challenge-response）方式，在连接过程中，可能需要一次鉴权或两次鉴权，或无须鉴权。鉴权可防止盗用和误用。蓝牙采用序列密码（stream cipher）加密技术增加系统安全性，密钥长度可以是0、40或位，密钥由高层软件管理。如果用户需要更高级别的保密要求，可在传输层和应用层使用特别的安全机制。
3．链路管理
链路管理器（LM）软件完成链路的建立、鉴权、链路配置等功能。链路管理器能够发现其他的链路管理器，并通过链路管理协议（LMP）与之建立通信联系，链路管理器通过链路控制器提供的服务实现上述功能。链路控制器的服务项目包括：接收和发送数据；组件号请求。链路管理器采用一种有效的方法来查询并报告长度可达16个字符的组件ID号；链路地址查询；建立连接；鉴权；协商并建立连接方式（SCO或ACL）；确定分组的帧类型；设置监听方式；设置保持方式；设置休眠方式。
4．软件功能
蓝牙技术的目标就是要确保任何嵌入了蓝牙组件的设备都能进行互通。软件的互通性取决于链路协议的多路传输、组件和服务的发现，以及分组的分段和重组。蓝牙组件必须能够彼此识别自动连接，并通过安装合适的软件识别出彼此支持的高层功能，互通性要求软件必须采用相同的应用层协议，因此，蓝牙软件构架利用了现有的高层规范，如OBEX，vCard/vCalendar，HID（个性化接口设备），及TCP/IP协议等。组件的兼容性要求能够适应蓝牙规范和现有的协议。软件将实现以下功能：配置及诊断；蓝牙组件的发现；电缆仿真；与外围设备的通信；音频通信及呼叫控制；交换名片和电话号码的网络协议。
无线单元篇
功能模块--蓝牙系统中的功能模块有无线单元、链路控制单元、链路管理单元和软件功能。
无线单元--Piconet网通过蓝牙技术在特定环境下的设备连接之集合。Piconet是两个设备的连接，如便携机和蜂窝电话。最多可拓展为8个连接设备，所有设备都是对等的，并且遵循相同的操作方式。建立连接后，设备单元分主、从方式工作，直至Piconet连接完毕。
多个的、非同步的Piconet网组成一个的Scatternet网络。
主工作单元是指在Piconet中，其设备的时钟和跳频信号用来作其它设备的同步，称主工作单元。次工作单元是指在Piconet中的非主工作单元。MAC地址3位地址码，用来区分Piconet网中的不同设备。分组单元指在Piconet中的同步设备，但没有MAC地址。
试探和保持模式连接Piconet网中的同步设备，但进入节电模式后，设备处于非激活状态，即基本睡眠状态。
蓝牙技术支持点到点和点到多点的连接，几个Piconet网可以相互连接，每个Piconet网可通过不同的频率和跳频序列来区别，在同一Piconet网中的用户对同一跳频序列是同步的。
对于多个Piconet的网络，在10个满负荷、的Piconet网络结构中，全双工速率不会超过6Mb/s。这是因为系统需考虑同步，基于0dBm发射功率的基站发射，在数据输出过程中将减少10%载荷。
语音信道采用CVSD（Continuous Variable Slope Delta Molation）调制，不会重发话音分组，由于CVSD对抗掉话和话音变形性能较强，即使位错误率达到4%，CVSD编码的语音质量仍很好。
蓝牙无线接口是基于常规的0dBm无线发射功率，接口符合FCC的ISM频带功率不大于0dBm的规定。在全世界范围内，功率可增至100mW，以便能满足不同的应用。在1MHz内可有79跳，频率范围从2.402~2.480GHz。由于各国的无线管理机构不同，在日本、法国、西班牙，该频段相对较窄，这可以通过蓝牙技术的内部软件开关来实现。最大的跳频率达1600跳/秒，正常的无线链路范围为0.1~10m，若增强发射功率，通信距离可增加到100m。
基带描述了设备的数字信号处理部分，即蓝牙链路控制器，它完成基带协议和其它低级的链路规程。
在建立Piconet网络内设备连接之前，所有设备处于备用模式。在此期间，一个未连接单元每隔1.28秒周期侦听消息，每当设备唤醒，它经过特定单元的32个跳频周期序列，跳频的频数与不同的地理区域有关，跳频周期32是大多数国家的标准（日本、西班牙、法国除外）。
连接过程可以由任一设备触发，随后此单元即成为主用，在主设备地址已知的情况下，连接由PAGE消息实现，如在地址未知情况下，先有一个INQUIRY消息，然后是PAGE消息。
在PAGE消息开始时，主用设备发送16个相同的PAGE消息，但位于不同的跳频上，用来呼叫设备。如被叫没有反应，则在Wakeup模式重发用来唤醒设备的16个消息序列。主设备到备用设备的最长时延不超过两倍的Wakeup周期（2.56秒），平均时延是半个Wakeup周期（0.秒）。
INQUIRY消息通常用来寻找蓝牙设备，包括共用打印机、传真机和类似的其它小型设备。INQUIRY消息和PAGE消息是类似的，但需附加一周期序列，收集所有的反馈信息。
在没有数据传输的情况下，省电模式用来保持Piconet的设备连接，主控单元可以将被控单元置于HOLD模式（从工作单元本身也需置于HOLD模式），此时单元只有内部时钟在运行。从HOLD模式转变后，数据传输立即得以恢复，HOLD模式通常用于几个Piconet之间的设备连接或是管理像温度感应计等低功率设备时使用。
还有两个更省功率的模式，即SNIFF和PARK模式。在前一模式下，设备在较低的频率下监听设备，减少工作周期，且可以根据具体应用情况编程。在后一个模式下，设备仍和Piconet同步，但不参与业务。分组设备放弃其MAC地址，并偶而侦听通信情况，以便接收广播信息，同时可判断主设备是否有重新同步的要求。
如果按功率的增强方式将各种工作模式排列，SNIFF模式具有最高的任务周期，HOLD模式次之，PARK最低。省电序列则反之。
链路控制单元篇
链路控制单元--链路类型决定了哪种分组模式能在特定的链路上使用。蓝牙基带技术支持两种链路类型：基于同步的连接SCO（原来用于话音）；非同步连接类型ACL（原用于分组数据）。
在Piconet网络中的不同主从对可以使用不同的链路类别。在通信序列中能改变任意的链路类型，每种链路支持16种不同的分组类型，其中四种是控制分组，在SCO和ACL链路中经常使用，均采用时分复用的方式进行双工通信。SCO是对称链路，支持语音业务，在保留的时隙发送，一旦链路建立，主从设备直接发送SCO分组，无需轮询（Poll）。SCO分组允许话音和数据的发送，但在受干扰时只允许数据的发送。ACL是基于分组的，同时支持对称和非对称业务。主控单元控制链路带宽，并决定每个受控单元的Piconet带宽，以及业务的对称性。受控单元在发射数据前必须接受询问。ACL链路也支持从主控单元到受控单元的所有广播消息。
纠错方式--对于蓝牙的基带控制共有三种纠错方式：1/3速率前向纠错码；2/3速率前向纠错码；对数据的自动重复申请ARQ。
前向纠错的目的是减少重发的可能性，但同时也增加了额外开销。然而在一个合理的无错误率环境中，多余的头标会减少输出，故分组定义的本身也保持灵活的方式，因此，在软件中可定义是否采用FEC。分组头通常由1/3 FEC速率保护，它包含有用的链路信息，即使有用位错误的情况，也需生存，一个没有序号的ARQ，在一个时隙发送的数据可以被接收者在下一个时隙直接认可。数据的认可需有两个条件：头标错误检查；CRC循环冗余检查。否则返回"无法确认信息"。
在物理层中提供了用户保护和信息私密机制，鉴权和加密在每一个蓝牙设备中以同样的机制执行，这只适合于网络中某些特定的环境，有时连接是单向、双向、非鉴权的。鉴权是基于挑战的反应逻辑算术，是所有蓝牙技术的一部分，用于设备之间使用时的信用认证。蓝牙采用长达0、40、60位的各种加密串，钥匙管理则留给高层的软件。
蓝牙的安全机制提供了短距离自然属性的保护要求。需更进一步保护机制的用户可以在网络传输协议和应用程序中加入更强的安全防护机制。
链路管理单元和软件
链路管理软件执行链路设置、鉴权、链路构造和其它协议。链路管理通过链路管理协议寻找其它远端的LM，是执行服务提供者的角色，LM利用链路控制器。服务包括发送和接收数据；名字申请，链路管理采用有效的咨询并报告名字或设备IP，长度共16字节；链路地址询问；鉴权；链路模式协调和设置数据、语音或数据/语音，也可以在连接中改变；
链路管理在分组的基础上决定实际的帧类型；设备设置为SNIFF模式，此时，任务周期减少，主机可以开始每隔一定的时隙规则发射，另外，可设置HOLD模式和PARK模式。
为了适应各种用户环境，蓝牙设备需支持设备低层协议的相互操作，包括无线兼容模块、空中协议、应用层协议、对象互换格式等。软件的互操作性开始于蓝牙的链路层协议，协议负责复有、设备和服务寻找、分组和重新装配；通过装载合适的软件来发现设备支持高层的能力，从而设备间可相互确认。应用的相互操作需一致的协议栈，不同的设备对于功能的需求不一致，所以，软件功能也有所不同。蓝牙的技术框架将充分利用现存的标准，如：OBEX、VCARD/VCALENDAR、HID、TCP/IP，而并不是全新的标准。软件功能包括：
配置和诊断应用；设备发现；电缆仿真；外设通信；语音通信和呼叫控制；名片和电话交换；网络协议。
参考资料：中国科普博览，电信博物馆
