前途无量的无线网络技术——蓝牙

  你是否正为办公室中错综复杂的线缆和各种各样的接线方式而发愁?你是否正为耳机的线太短而烦恼?你是否正为如何方便地控制纷繁复杂的数据语音设备而绞尽脑汁?随着网络技术日新月异的迅速发展,人们已经无法抵制网络对传统生活与工作方式的影响与渗透。如何减免繁杂的连线过程,实现快速方便地数据与语音通信,已成为当前人们最关心的问题之一,也是网络通信发展最迅速的领域之一。为什么不能去掉这些烦人的线缆,通过其它方式通信呢?
  
  解决这些问题的答案就是无线通信,其优势在于随时随地、随心所欲的通信。事实上,好多年以前,标准化组织就已经提出了一些无线通信的标准,但是由于协议的复杂性、应用的局限性以及器件的能力等原因,一直没有得到广泛接受。但是随着计算机网络和移动电话技术的迅猛发展,人们越来越感觉到发展一定范围内的无线数据与语音通信的迫切需要。于是在1998年,爱立信、IBM、Intel、诺基亚和东芝等公司联合推出了一项最新的无线网络技术,即蓝牙(Bluetooth)技术。随后这五家公司组建了一个特殊兴趣组织(SIG:Special Interest Group)来负责开发此技术及协议,如今已有1800多家公司加入。1999年7月份蓝牙SIG推出了蓝牙协议的1.0版,将其推向应用阶段。
  
  蓝牙技术概况
  蓝牙技术在推出时就瞄准了无线局域网的通信,在10米到100米的空间内所有支持该技术的移动或非移动设备可以方便地建立网络联系、进行音频通信或直接通过手机进行Internet冲浪。其应用范围相当广泛,可以应用于局域网络中各类数据及语音设备,如PC、拨号网络、笔记本电脑、打印机、传真机、数码相机、移动电话和高品质耳机等,使用无线的方式将它们连成一个微微网(Piconet),多个Piconet之间也可以互连形成Scatternet,从而方便快速地实现各类设备之间随时随地的通信。
  
  蓝牙技术的协议结构如图1所示。整个协议体系结构分三大部分:底层硬件模块、中间协议层和高层应用。
  
  底层硬件部分包括无线跳频(Radio Frequency,RF)、基带(Baseband,BB)和链路管理(Link Manager,LM)。RF层通过2.4GHz 无需授权的ISM频段的微波,实现数据位流的过滤和传输,本层协议主要定义了蓝牙收发器在此频带正常工作所需满足的要求。BB负责跳频和蓝牙数据及信息帧的传输。LM负责连接的建立和拆除以及链路安全和控制。
  
  蓝牙技术结合了电路交换与分组交换的特点,不仅可以进 觳绞萃ㄐ牛箍梢灾С侄啻?个同时进行的同步话音信道,还可以用一个信道同时传送异步数据和同步话音。每个话音信道支持64kb/s同步话音链路。异步信道可以支持一端最大速率为721kb/s,而另一端速率为57.6kb/s的不对称连接,也可以支持43.2kb/s的对称连接。
  
  中间协议层包括逻辑链路控制和适应协议(Logical Link Control and Adaptation Protocol ,L2CAP)、服务发现协议(Service Discovery Protocol,SDP)、串口仿真协议RFCOMM和电话通信协议(Telephony Control Protocol,TCS)。L2CAP完成数据的拆装、服务质量和协议复用等功能,是其他上层协议实现的基础。SDP为上层应用程序提供一种机制来发现网络中可用的服务及其特性。RFCOMM基于ETSI标准TS07.10在L2CAP上仿真9针RS232串口的功能。TCS提供蓝牙设备间话音和数据的呼叫控制信令。
  
  在BB和LM上与L2CAP之间还有一个主机控制接口层(Host Controller Interface,HCI)。HCI是蓝牙协议中软硬件之间的接口,它提供了一个调用下层BB、LM、状态和控制寄存器等硬件的统一命令接口。蓝牙设备之间通信时的系统结构如下图2所示。HCI协议以上的协议软件实体运行在主机上,而HCI以下的功能由蓝牙设备来完成,二者之间通过一个对两端透明的传输层进行交互。随着对Bluetooth研究的深入,人们提出了Single-Chip 结构,即Bluetooth Host 与Bluetooth Module合二为一,在单芯片上实现Bluetooth,从而省去了HCI接口部分。
  
  在蓝牙协议栈的最上部是各种高层应用框架(Profiles)。其中较典型的有拨号网络(Dial-up Networking)、耳机(Headset)、局域网访问(LAN Access)、文件传输(File Transfer)等,分别对应一种应用模式。各种应用程序可以通过各自对应的Profile实现无线通信(图中每一个竖向的协议栈即为一种Profile,即应用模式)。拨号网络应用可以通过由RFCOMM仿真的串口访问Piconet,数据设备也可由此接入传统的局域网;用户通过协议栈中的Audio层在手机和耳塞中实现音频流的无线传输;多台PC或笔记本电脑之间不用任何连线,即可快速灵活的传输文件,共享信息,多台设备也可由此实现操作的同步。随着手机功能的不断增强,手机无线遥控也将成为蓝牙技术的主要应用方向之一。
  
  整个蓝牙协议结构简单,使用重传等机制保证链路的可靠性,在Baseband、Link Manager和应用层中可实现分级的多种安全机制,通过跳频消除网络环境中其他无线设备比如微波炉的干扰。遵循蓝牙协议的设备将能够用微波取代传统网络中错综复杂的电缆,非常方便的实现快速灵活、安全、低代价、低功耗的数据和话音通信,而无须购买、携带和使用各种电缆。由于蓝牙技术能够适合多种用途,它还可以用一条单独的无线链路代替多条电缆连接,使用户可以通过不同途径,在不同的应用场合中使用移动信息,让用户能够真正专心于他们的工作内容,而不必花费精力去连接纷繁复杂的线缆。
  
  应用前景
  遵循蓝牙协议的各种应用都保证简单易用的安装和操作、高效的安全机制和完全的互操作性,从而实现随时随地的通信。
  
  蓝牙技术将在多种领域迅速发展,其典型应用环境包括无线办公环境(Wireless Office)、汽车工业、信息家电、医疗设备等等,其他应用环境如学校教育、工厂自动控制等不再一一详述。
  
  1.办公环境中,无线局域网设备每年增长27.1%,市场价值将从1998年的3亿美元飞涨到2005年的16亿美元。在办公室中蓝牙设备将消除桌面上错综复杂的连线,通过无线接入局域网,实现文件、调制解调器、打印机和服务器的共享,同时也可应用于无绳电话。在开办公会议时,可以用无线的方式访问其他成员,共享文件等信息。家庭办公者可以在PC、电子设备、无绳电话等设备间共享话音和数据,在任何房间中访问Internet,共享ISP连接。在旅行途中,可以就近无线接入Internet,在旅馆的房间或者机场方便地访问网络。
  
  2.蓝牙技术在汽车工业中也有巨大的市场潜力。汽车的主人可由此获得与在家中同样的网络服务,汽车中的电话和音频服务将更加便利,主人可以通过移动电话控制汽车的上锁和开启,调节座位和温度等环境,以及汽车中各种控制设备,同时还可以从服务中心获得及时的路况、事故等信息。BlueTooth一旦应用到汽车中,每年将至少产生五千万台设备的市场需求。
  
  3.随着家电产品数字化程度的不咸岣撸颐强梢陨柘氚阉械男畔⒓业缤ü桓鲆?仄骼唇锌刂啤U庖桓鲆?仄鞑坏梢钥刂频缡印⒓扑慊⒖盏髌鳎被箍梢杂米魑奚电话或者移动电话,甚至可以在这些信息家电之间共享有用的信息,比如把电视节目或者电话语音录制下来存储到电脑中?
  
  4.很明显,使用蓝牙互连的各种电子医疗设备具有更广泛的应用范围,可以在各种设备及医疗人员之间更好的协作,出现紧急状态时及时发出告警,在远程医疗中也有很好的市场潜力。
  
  目前,在国内外一些著名大公司的全力支持下,已经有蓝牙的初期产品问世,一些大的芯片厂商已经开始着手改进具有蓝牙功能的芯片。与此同时,一些颇具实力的软件公司则推出了各自的协议栈软件,与芯片厂商合作推出蓝牙技术实现的具体方案,并且不断开发蓝牙技术的典型应用。随着技术和应用的不断发展,蓝牙将在人们的日常生活和工作中扮演重要角色,更迅猛地改变人们的生活与工作方式,提高人们的生活质量。
  
  当前蓝牙技术的开发遇到的最主要问题是设备间的互通性,由于蓝牙是一项新技术,其协议并没有经过充分的验证与测试,而且不同厂商对协议的理解也会有偏差,因而开发出来的芯片或者协议栈可能无法互通。这就需要开发者们之间继续相互合作,采用先进的协议开发技术,进行完善的验证与测试。
  
  相关技术比较
  无线局域网是当前发展最迅速的领域之一,相应的新技术也层出不穷,目前无线局域网的技术主要有IEEE 802.11、HomeRF和蓝牙,它们都可以工作在2.4GHz频段上。
  
  IEEE 802.11只规定了开放式系统互联参考模型(OSI/RM)的物理层和MAC层,其MAC层利用载波监听多重访问/冲突避免(CSMA/CA :Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance)协议,而在物理层,802.11定义了三种不同的物理介质:红外线、跳频扩谱方式(FHSS:Frequency Hopping Spread Spectrum) 以及直扩方式(DSSS:Direct Sequence Spread Spectrum )。802.11支持1~11Mbps较高的数据速率,但是它只支持数据通信,为进行无线数据通信,数据设备先要安装有无线网卡。
  
  另一种无线局域网技术HomeRF,是专门为家庭用户设计的。HomeRF 利用跳频扩谱方式,通过家庭中的一台主机在移动数据和语音设备之间实现通信,既可以通过时分复用支持语音通信,又能通过载波监听多重访问/冲突避免协议提供数据通信服务。同时,HomeRF提供了与TCP/IP良好的集成,支持广播、多播和48位IP地址。
  
  与上面两种技术不同,蓝牙技术具有一整套全新的协议,可以应用于更多的场合。蓝牙技术中的跳频更快,因而更加稳定,同时它还具有低功耗、低代价和比较灵活等特点。总的来讲,802.11比较适于办公室中的企业无线网络,HomeRF可应用于家庭中的移动数据和语音设备与主机之间的通信,而蓝牙技术则可以应用于任何可以用无线方式替代线缆的场合。目前这些技术还处于并存状态,但是有可能引起干扰等问题,从长远看,随着产品与市场的不断发展,它们将走向融