一、概述

1、藍(lán)牙技術(shù)的概念

所謂藍(lán)牙（Bluetooth）技術(shù)，它是指一種短距離、低功耗的無(wú)線通信技術(shù)，只是借用了“藍(lán)牙”這一術(shù)語(yǔ)來(lái)命名了該技術(shù)。在藍(lán)牙特殊興趣小組（SIG）的相關(guān)規(guī)范中對(duì)于“藍(lán)牙無(wú)線技術(shù)”的定義是：它是用于描述由藍(lán)牙特殊興趣小組（SIG）開發(fā)的技術(shù)的通用術(shù)語(yǔ)。該技術(shù)定義了一種無(wú)線通信鏈路，運(yùn)行在免許可的工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療（ISM）的2.4 GHz頻段，使用跳頻收發(fā)器，和基于時(shí)隙的鏈路協(xié)議。

發(fā)明藍(lán)牙技術(shù)的是瑞典愛立信公司。開發(fā)藍(lán)牙技術(shù)的初衷，是利用藍(lán)牙技術(shù)能夠有效地簡(jiǎn)化掌上電腦、筆記本電腦和移動(dòng)電話手機(jī)等移動(dòng)通信終端設(shè)備之間的通信，而省去之間的線纜的連接，從而使這些現(xiàn)代通信設(shè)備之間及與因特網(wǎng)之間的數(shù)據(jù)傳輸變得更加迅速高效，可以實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音和數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸。其實(shí)際應(yīng)用范圍還可以拓展到各種家電產(chǎn)品、消費(fèi)電子產(chǎn)品和汽車等信息家電，目前也已成為實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)（IoT）中的一種熱門的無(wú)線通信技術(shù)。

“藍(lán)牙”技術(shù)本質(zhì)上屬于無(wú)線個(gè)域網(wǎng)（WPAN）的范疇，同樣是一種短距離、低功耗、低成本的無(wú)線連接技術(shù)，用以實(shí)現(xiàn)在個(gè)人操作空間（POS，Personal Operating Space）內(nèi)的小范圍連接。

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2、“藍(lán)牙”的由來(lái)

“藍(lán)牙”這個(gè)名字可以追溯到一千多年前的哈拉爾國(guó)王戈?duì)柲匪?span style="color:black; background:white">（Gormsson），他以兩件事聞名于世：一是在958年統(tǒng)一丹麥和挪威；二是他的死牙為深藍(lán)色/灰色，為他贏得了“藍(lán)牙”的綽號(hào)。在該短程無(wú)線技術(shù)發(fā)明初期，有人提出借用“藍(lán)牙”這個(gè)術(shù)語(yǔ)來(lái)命名該技術(shù)，將有著特殊的意義。于是，該短距離無(wú)線通信技術(shù)因此而得名，稱為“藍(lán)牙”技術(shù)。

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二、藍(lán)牙技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化

1、關(guān)于SIG

在1998年5月，由五家世界頂級(jí)通信/計(jì)算機(jī)公司經(jīng)過磋商，聯(lián)合成立了藍(lán)牙共同利益集團(tuán)（SIG，Bluetooth Special Interest Group），即藍(lán)牙特別興趣組，目的是加速“藍(lán)牙”技術(shù)的開發(fā)、推廣和應(yīng)用，特別是該技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化。

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2、關(guān)于空中接口規(guī)范

SIG成立后有力的推動(dòng)了藍(lán)牙技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)化過程，在1999年就推出了第一個(gè)正式藍(lán)牙技術(shù)規(guī)范的V1.0版本。由于V1.0版本的技術(shù)性不是很成熟，使SIG與IEEE 802.15工作組協(xié)商決定，合作共同研究開發(fā)其標(biāo)準(zhǔn)。于是在2002年SIG發(fā)布了V1.1版本的核心規(guī)范；IEEE標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)是：IEEE 802.15.1-2002《系統(tǒng)之間電信和信息交換的IEEE標(biāo)準(zhǔn)-LAN/MAN-特定要求-第15部分：無(wú)線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)（WPAN）的無(wú)線媒體訪問控制（MAC）和物理層（PHY）規(guī)范》，正式形成了藍(lán)牙技術(shù)的空中接口（MAC和PHY層）規(guī)范。2003年，SIG對(duì)V1.1版本進(jìn)行了修訂，形成了V1.2版本。IEEE 802.15工作組與2005年發(fā)布了修訂版IEEE 802.15.1-2005版（或稱IEEE 802.15.1a）標(biāo)準(zhǔn)。因此，藍(lán)牙技術(shù)的空中接口規(guī)范已成型，在SIG的后續(xù)規(guī)范版本中，其空中接口的規(guī)范內(nèi)容都是基于V1.2版本（即IEEE 802.15.1-2005標(biāo)準(zhǔn)）的內(nèi)容，基本上沒有大的變化。

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3、關(guān)于核心（Core）規(guī)范

藍(lán)牙技術(shù)的后續(xù)版本規(guī)范都是由SIG負(fù)責(zé)，主要的稱之為藍(lán)牙核心（Core）規(guī)范，IEEE 802.15工作組不再參與。由SIG繼續(xù)開發(fā)的核心（Core）規(guī)范，目前已經(jīng)歷了第二代（包括V2.0和V2.1版本，主要是推出增強(qiáng)數(shù)據(jù)率（EDR）功能）、第三代（V3.0版本，主要是推出高速（High Speed）數(shù)據(jù)功能）、第四代（包括V4.0、V4.1和V4.2版本，主要是推出低功耗藍(lán)牙（BLE）功能）和第五代（包括V5.0、V5.1和V5.2版本，主要是推出與物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的相關(guān)功能）。

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當(dāng)然，由SIG開發(fā)的藍(lán)牙技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范除核心（Core）規(guī)范外，還有其它配套的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，包括應(yīng)用框架（Profiles）協(xié)議、配置協(xié)議族、網(wǎng)絡(luò)規(guī)范、碼號(hào)分配規(guī)范、測(cè)試規(guī)范等等。

三、藍(lán)牙技術(shù)的組網(wǎng)型式

1、微微網(wǎng)（piconet）

微微網(wǎng)（piconet）是藍(lán)牙技術(shù)的最基本的網(wǎng)絡(luò)型式，也是藍(lán)牙技術(shù)常用的主要的組網(wǎng)技術(shù)。微微網(wǎng)（piconet）是指一組占據(jù)共享物理信道的藍(lán)牙設(shè)備，其中一個(gè)設(shè)備是piconet的主設(shè)備（master），其余的設(shè)備都連接到它，稱為從設(shè)備（Slave）；在piconet中最多可以有7個(gè)從設(shè)備處于活動(dòng)狀態(tài)。鑒于此，微微網(wǎng)（piconet）可以實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙設(shè)備的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)和點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的連接，具體詳見下圖3-1中的a和b。在點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接中，物理通道在兩個(gè)藍(lán)牙設(shè)備之間共享。在點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)連接中，物理通道在幾個(gè)設(shè)備之間共享。共享同一物理通道的兩個(gè)或多個(gè)設(shè)備構(gòu)成一個(gè)微微網(wǎng)（piconet）。微微網(wǎng)（piconet）不能進(jìn)行頻率同步，而且每個(gè)piconet都有自己的跳頻序列。

圖3-1：藍(lán)牙設(shè)備的組網(wǎng)形式

2、散射網(wǎng)（scatternet）

散射網(wǎng)（scatternet）是指兩個(gè)或多個(gè)微微網(wǎng)（piconet），也包括參與多個(gè)微微網(wǎng)的一個(gè)或多個(gè)設(shè)備。也即具有公用設(shè)備的微微網(wǎng)組成散射網(wǎng)，具體詳見圖3-1中的c。在散射網(wǎng)（scatternet）中，每個(gè)微微網(wǎng)只有單個(gè)主設(shè)備，然而，從設(shè)備可以在時(shí)分復(fù)用的基礎(chǔ)上參與不同的微微網(wǎng)。此外，一個(gè)微微網(wǎng)的主設(shè)備可以是其他微微網(wǎng)的從設(shè)備。目前藍(lán)牙的相關(guān)規(guī)范對(duì)散射網(wǎng)（scatternet）的支持還是相對(duì)較弱的。

3、網(wǎng)狀網(wǎng)（Mesh）

藍(lán)牙網(wǎng)狀網(wǎng)（Mesh）是一種可互操作的多點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)（M:M）網(wǎng)狀網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)解決方案，該網(wǎng)絡(luò)的規(guī)范是2017年7月才被SIG推出的，適用于藍(lán)牙低能耗（BLE）技術(shù)。非常適合于控制、監(jiān)控和自動(dòng)化系統(tǒng)，其中需要數(shù)十、數(shù)百或數(shù)千臺(tái)設(shè)備相互可靠、安全地通信。它將與藍(lán)牙技術(shù)相關(guān)聯(lián)的經(jīng)過驗(yàn)證的、全球互操作性和成熟的、可信的生態(tài)系統(tǒng)帶到工業(yè)級(jí)設(shè)備網(wǎng)絡(luò)的創(chuàng)建中。

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四、藍(lán)牙的相關(guān)技術(shù)要求

1、藍(lán)牙的射頻（RF）要求

藍(lán)牙技術(shù)運(yùn)行在不需申請(qǐng)?jiān)S可的ISM 2.4GHz頻段，該頻段的頻率范圍為2400~2483.5 MHz。在全雙工傳輸時(shí)采用TDD方案。采用跳頻擴(kuò)頻（FHSS）技術(shù)，跳頻是藍(lán)牙射頻使用的關(guān)鍵技術(shù)。我們知道，無(wú)線局域網(wǎng)（WLAN）等網(wǎng)絡(luò)也工作在2.4GHz頻段，為了解決藍(lán)牙技術(shù)與相關(guān)網(wǎng)絡(luò)的共存性，在SIG的V1.2版本中推出了自適應(yīng)跳頻（AFH）技術(shù)。藍(lán)牙技術(shù)采用的調(diào)制方式是高斯頻移鍵控（GFSK）調(diào)制。

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2、藍(lán)牙的基帶（BB）要求

藍(lán)牙技術(shù)的基帶（BB，Baseband）指定或?qū)崿F(xiàn)媒介訪問控制（MAC）層和物理層（PHY）過程，以支持藍(lán)牙設(shè)備之間實(shí)時(shí)語(yǔ)音、數(shù)據(jù)信息流和特設(shè)網(wǎng)絡(luò)的交換。主要內(nèi)容包括基帶數(shù)據(jù)的分組傳輸格式、藍(lán)牙設(shè)備的編址方式、時(shí)鐘、跳頻選擇等等。

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3、藍(lán)牙的主機(jī)控制器接口（HCI）要求

藍(lán)牙的主機(jī)控制器接口（HCI）是基帶（BB）控制器和鏈路管理器（LM）的命令接口，提供對(duì)硬件狀態(tài)和控制寄存器的訪問，并提供訪問BB功能的統(tǒng)一方法。它提供了控制基帶與鏈路控制器、鏈路管理器、狀態(tài)寄存器等硬件功能的指令分組格式以及進(jìn)行數(shù)據(jù)通信的數(shù)據(jù)分組格式。等。

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四、藍(lán)牙的安全

藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)與任何一種通信網(wǎng)絡(luò)（尤其是無(wú)線通信）一樣會(huì)面臨這安全性問題（假冒、竊聽、未授權(quán)訪問、拒絕服務(wù)等）。因此藍(lán)牙規(guī)范提供了一系列的安全機(jī)制以提高藍(lán)牙無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的安全性，主要體現(xiàn)在藍(lán)牙規(guī)范的各個(gè)協(xié)議層。藍(lán)牙安全機(jī)制中有幾個(gè)基本概念，包括：從安全角度出發(fā)，將藍(lán)牙設(shè)備分為3類（這些設(shè)備信息存儲(chǔ)在設(shè)備數(shù)據(jù)庫(kù)當(dāng)中并由安全管理器維護(hù)）、藍(lán)牙設(shè)備提供的3種安全服務(wù)（這些服務(wù)信息由安全管理器保存在服務(wù)數(shù)據(jù)庫(kù)當(dāng)中）、藍(lán)牙設(shè)備工作的3種工作模式；藍(lán)牙基帶安全性4要素；以及藍(lán)牙無(wú)線網(wǎng)絡(luò)安全管理的3方面的任務(wù)和安全管理器（藍(lán)牙安全體系結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部件）5項(xiàng)關(guān)鍵任務(wù)等，詳見下表4。

表4：藍(lán)牙安全機(jī)制中相關(guān)基本概念

五、藍(lán)牙的相關(guān)解決方案

隨著藍(lán)牙技術(shù)的開發(fā)與發(fā)展，目前SIG推出了兩種主要的藍(lán)牙技術(shù)解決方案，它們是：低功耗藍(lán)牙（Bluetooth Low Energy）和經(jīng)典藍(lán)牙（也被稱為藍(lán)牙基本速率/增強(qiáng)數(shù)據(jù)速率（BR/EDR，Basic Rate/Enhanced Data Rate）藍(lán)牙）。

欲詳細(xì)了解上述兩個(gè)藍(lán)牙解決方案的技術(shù)要求的請(qǐng)進(jìn)入。

在SIG的大力推動(dòng)下，藍(lán)牙（Bluetooth）技術(shù)在無(wú)線個(gè)域網(wǎng)（WPAN）的相關(guān)的技術(shù)中（ZigBee技術(shù)和UWB技術(shù)）是相對(duì)發(fā)展比較快速、比較成熟，且應(yīng)用較廣的技術(shù)。

欲進(jìn)一步了解其他WPAN中相關(guān)技術(shù)介紹的請(qǐng)進(jìn)入：ZigBee技術(shù)；UWB技術(shù)