bluetooth關鍵技術的分析及其產品開發的體會

1 藍牙技術產生與發展背景的分析
自上世紀末以來，信息產業保持著迅猛的發展勢頭，特別是通信和計算機技術，已滲透到各行各業和人們生活的各個角落。因特網的發展使人們似乎一刻也不愿意脫離“網絡”，人們期望能夠將網絡隨身攜帶，亦即使用一種廉價的無線方法，隨時隨地實現多媒體傳輸，這就使得寬帶無線通信成為新的熱點。但由于頻率資源的不可再生性，使得寬帶和大容量成為一對主要矛盾，任何可在低成本前提下有效解決這對矛盾的方案，都會引起人們極大的興趣，其中小范圍應用具有代表性，比較典型的成果有：以無線ＬＡＮ（Ｌｏｃａｌ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）為典型應用的ＩＥＥＥ 802.11和ＨｉｐｅｒＬＡＮ；由“家用射頻工作組”(ＨＲＦＷＧ, Ｈｏｍｅ Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｗｏｒｋｉｎｇ Ｇｒｏｕｐ)提出的以家庭應用為主要背景的“共享無線訪問協議”(ＳＷＡＰ, Ｓｈａｒｅｄ Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ａｃｃｅｓｓ Ｐｒｏｔｏｃｏｌ)；由Ｅｒｉｃｓｓｏｎ等公司發起成立的“藍牙特別興趣組”(ＢＳＩＧ,Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ Ｓｐｅｃｉａｌ Ｉｎｔｅｒｅｓｔ Ｇｒｏｕｐ)并提出的“藍牙系統”（Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ Ｓｙｓｔｅｍ）等。這些系統大多采用跳頻技術，工作在2.4ＧＨｚ或5ＧＨｚ以上頻段，雖然其標準目前還在不斷修改，但已展現出強大的生命力，國際上一流的通信公司、計算機公司和軟件公司一方面協作攻關，另一方面也正如火如荼地展開競爭。
從網絡的角度來看，繼廣域網(ＷＡＮ，Ｗｉｎｄ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ或城域網;ＭＡＮ,Ｍｅｔｒｏｐｏｌｉｔａｎ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ)、局域網（ＬＡＮ，Ｌｏｃａｌ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）之后，人們又提出了“無線個人域網”（ＷＰＡＮ,Ｗｉｒｅｌｅｓｓ Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）。這一新概念非常受人矚目，1999年為此專門成立的ＩＥＥＥ 802.15現下設4個工作組，專職研究有關協議及協調現有標準與ＷＰＡＮ的互存性問題。
比較而言， Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ系統更具有代表性，它正根據ＷＰＡＮ的概念向前發展，且與ＷＰＡＮ的概念相輔相成，成為ＷＰＡＮ的一個雛形。事實上，ＷＰＡＮ及其代表的小范圍應用有著巨大的市場潛力，它和大范圍快速移動情況下的應用相輔相成，互為補充，對發展國民經濟和提高人們生活水平都具有重要的意義。從某種意義上說，前者的市場潛力可能更巨大，因為這種應用可在小范圍內將各種移動通信設備、固定通信設備、計算機及其終端設備、各種數字數據系統甚至各種家用電器，使用廉價的無線方法建立它們之間的信息傳輸，涉及到的設備面廣量大，容易形成新的經濟增長點，其迅猛發展是必然的。
2 藍牙技術特點和關鍵技術的分析
從總體上看，Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ有如下特點。
· 工作在2.4ＧＨｚ的ＩＳＭ(Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ Ｍｅｄｉｃｉｎｅ)頻段，大多數國家使用79個頻道，載頻為2402＋ｋＭＨｚ (ｋ ＝ 0,1,…,78)，信道間隔1ＭＨｚ。
· 最大發射功率分為3個等級，分別是：100ｍＷ(20ｄＢｍ)，2.5ｍＷ (4ｄＢｍ) 和1ｍＷ(0ｄＢｍ)，在4～20ｄＢｍ范圍內要求采用功率控制。
· 調制方式為ＢＴ＝0.5的ＧＦＳＫ，調制指數為0.28～0.35。
· 符號速率為1Ｍｂｉｔ／ｓ。
· 按每時隙625μｓ劃分信道；全雙工通信時，采用ＴＤＤ方式。
· 信道上信息以數據包的形式發送；支持電路交換和分組交換，支持多個異步數據信道或多達3個并發的同步話音信道，或同時傳送一個同步話音和一個或多個異步數據的信道。
· 每個話音信道支持64ｋｂｉｔ／ｓ的同步語音；異步信道支持最大921ｋｂｉｔ／ｓ、反向信道達57.6ｋｂｉｔ／ｓ的非對稱連接，或432ｋｂｉｔ／ｓ的對稱連接。
由此可見，Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ采用了ＣＤＭＡ和ＴＤＭＡ的混合多址方式，跳頻、ＴＤＤ和ＧＦＳＫ調制方式使得它的射頻電路較為簡單，通信協議的大部分內容可以用專用集成電路和軟件來實現，從技術上保證了其設備的高性能和低成本。因此，Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ將具有設備簡單，體積小、價格便宜和工作穩定等特點。
但是，到目前為止，Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ并沒有干擾躲避機制，跳頻的抗干擾能力和潛力尚未發揮出來；1Ｍｂｉｔ／ｓ的速率在多媒體應用中尚有諸多不利。這兩個主要的問題已引起各方面的重視。
3 廣泛的應用
Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ的基本出發點是使其設備能夠在全球范圍內應用于任意的小范圍通信。根據通信協議，各種Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ設備無論在任何地方，都可以通過人工或自動查詢來發現其他Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ設備，從而構成網絡，實現系統提供的各種功能。目前，Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ的標準提供以下應用：一般接入、服務發現協議、無繩電話、對講系統、串口、耳機、撥號網絡、傳真、局域網訪問、通用對象交換、對象推入、文件傳輸和同步應用。由此可見，Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ可使蜂窩移動電話系統、無繩通信系統、無線局域網和因特網等現有網絡增添新功能，使各類計算機、傳真機、打印機乃至各種室內電子、信息和電器設備增添無線傳輸和組網的功能，應用空間極為廣闊。根據我們的體會，Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ產品將會較快地和如下設備或系統融為一體：各種電話系統、車載通信設備、無線電纜和ＷＬＡＮ、無線公文包、各類數字電子設備、電子商務、信息家電、工業控制、智能化建筑物、各種特殊場合應用等。
4 藍牙產品的研制
東南大學移動通信國家重點實驗室從1998年開始跟蹤藍牙技術，是我國最早參加ＳＩＧ的單位之一，也是ＳＩＧ中國工作組ＴＦ9的成員單位。
1999年，東南大學移動通信國家重點實驗室與香港政府獨資的“通訊科技中心有限公司”簽署了“藍牙系統的ＡＳＩＣ解決方案系統軟件的研制”合作協議，共同完成香港特區政府創新科技基金（ＩＴＦ）項目“藍牙系統的ＡＳＩＣ解決方案”。至2001年4月，已完成了兩個版本協議棧的研制，2001年6月通過了江蘇省科技廳組織的成果鑒定，目前正尋求ＳＩＧ的認證。2000年度，江蘇省科技廳對藍牙產品的研究開發課題給予強有力的支持，移動通信國家重點實驗室承擔了江蘇省“十五”優先啟動重點科技攻關項目“ＣＤＭＡ無線接入系統”，開發ＰＳＴＮ網關、局域網接入設備及有關終端設備等藍牙產品，工作進展順利。從2001年4月開始，實驗室還作為中國電子器材深圳公司的技術支持單位，與之進行了多方面的合作，目前雙方正在進行“基于Ｅｒｉｃｓｓｏｎ藍牙模塊的藍牙系統演示及開發平臺的研制”項目。另外，從 1999年年底開始，我們還承擔了教育部科學技術研究重點項目“復雜環境下跳頻多媒體通信關鍵技術的研究”；2000年，“ＷＰＡＮ環境下寬帶高速跳頻系統關鍵技術的研究”項目得到國家自然科學基金的資助；從2001年2月開始，我們與Ｍｏｔｏｒｏｌａ中國軟件中心合作進行“ＨｉｐｅｒＬＡＮ／2關鍵算法的研究”項目。這些項目使我們掌握了藍牙系統、無線局域網和無線個人域網的有關基礎理論，并圍繞實時優化問題，對若干算法進行了深入研究，對于下一步的發展將起到積極作用。
下面簡單介紹藍牙ＰＳＴＮ網關和局域網接入點設備的研制情況。
藍牙電話網關是應用模型中定義的無繩電話模型(Ｃｏｒｄｌｅｓｓ Ｔｅｌｅｐｈｏｎｙ Ｐｒｏｆｉｌｅ)的關鍵設備，其示意圖如圖1所示。

藍牙局域網接入點是藍牙應用模型中局域網接入模型(ＬＡＮ Ａｃｃｅｓｓ Ｐｒｏｆｉｌｅ)的關鍵設備，其示意圖如圖2所示。它可使藍牙終端隨時隨地無線上網，免去了連接網線的麻煩。
對于上述兩種應用，我們已經研制出模型樣機