低功耗蓝牙技术.docx
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低功耗蓝牙技术
[摘要]：
本文介绍了一种功耗比标准蓝牙更低的超低功耗蓝牙技术，分别描述了这种技术的由来、协议栈构成、拓扑结构、Radio层的工作状态和工作角色以及特点。
在技术特点部分中，详细介绍了超低功耗蓝牙技术实现低功耗的原理。
[关键词]：
超低功耗；蓝牙；跳频；低能耗
[Abstract]：
ThisarticleintroducesatechnologyofUltraLowPowerBluetoothwhosepowerislowerthanthestandardBluetooth,describesrespectivelyorigin,structureofprotocolstackandtopology,operatingstatesandrolesofRadiolayer,characteristicsofthetechnology.Inthepartofcharacteristicsofthetechnology,thereasonwhyUltraLowPowerBluetoothtechnologycanrealizeultralowpowerisdetailed,andatablethatcontainssomeparametersofUltraLowPowerBluetoothcomparedwiththestandardBluetoothtechnologyisalsoshowed.
[Keywords]：
ultralowpower;Bluetooth;frequencyhopping;lowenergy
目录
第1章蓝牙技术简介1
1.1蓝牙技术的概述1
1.2蓝牙技术的特点2
1.3蓝牙技术的应用5
1.4ULP蓝牙技术的价值8
第2章ULP蓝牙系统体系结构10
2.1ULP蓝牙系统体系结构概述10
2.2蓝牙系统的拓扑结构11
2.3蓝牙系统RADIO层的状态和角色13
第3章ULP蓝牙技术规范15
3.1物理层规范15
3.1.1信道分配15
3.1.2发射机16
3.1.3接收机17
3.2链路层规范17
3.3主机接口规范19
3.4主机规范22
3.5安全服务规范26
3.5.1密钥26
3.5.2匹配和密钥交换27
第四章蓝牙应用前景30
4.1ULP蓝牙技术的特点30
4.2ULP蓝牙技术的应用34
致谢37
附录38
参考文献40
第1章蓝牙技术简介
1.1蓝牙技术的概述
随着时代的发展社会的进步信息化技术逐步的完善，各种通信手段日益增多。
我们日常生活中常见的蓝牙就是一个鲜活的例子。
所谓蓝牙技术实际上是一种短距离无线电技术，利用蓝牙技术能够有效的简化掌上电脑、笔记本电脑、和移动电话手机等移动通信终端设备之间的通信从而使这些现代通信设备与因特网之间的数据传输变得更加迅速高效，为无线通信开拓道路。
说的通俗一点，就是蓝牙技术使得现代一些轻易携带的移动通信设备和电脑设备，不必借助电缆就能联网，并且能够实现无线上因特网其实际应用范围还可以拓展到各种家电产品、消费电子产品和汽车等信息家电，组成一个巨大的通信网络。
蓝牙技术属于一种短距离、低成本的无线连接技术，是一种能够实现语音和数据无线传输的开放性方案，因此，目前无线通信的蓝牙刚刚露出一点芽尖，却已经引起了全球通信业界和广大用户的密切关注。
蓝牙是以公元10世纪统一丹麦和瑞典的一位斯堪的纳维亚国王的名字命名。
它孕育着颇为神奇的前景：
对手机而言，与耳机之间不再需要连线；在个人计算机，主机与键盘、显示器和打印机之间可以摆脱纷乱的连线；在更大范围内，电冰箱、微波炉和其它家用电器可以与计算机网络的连接，实现智能化操作。
发明蓝牙技术的是瑞典电信巨人爱立信公司。
由于这种技术具有十分可喜的应用前景，1998年5月，五家世界顶级通信计算机公司：
爱立信、诺基亚、东芝、IBM和英特尔经过磋商，联合成立了蓝牙共同利益集团，目的是加速其开发、推广和应用。
此项无线通信技术公布后，便迅速得到了包括摩托罗拉、3COM、朗讯、康柏、西门子等一大批公司的一致拥护，至今加盟蓝牙SIG的公司已达到2000多个，其中包括许多世界最著名的计算机、通信以及消费电子产品领域的企业和生产厂家。
一项公开的技术规范能够得到工业界如此广泛的关注和支持，这说明基于此项蓝牙技术的产品将具有广阔的应用前景和巨大的潜在市场。
蓝牙共同利益集团现已改成蓝牙推广集团。
1.2蓝牙技术的特点
蓝牙技术发展的最大障碍是成本太高，突出表现在芯片大小和价格难以下调并存在抗干扰性能不强、传输距离太短、信息安全等问题，这就使得很多用户不愿意花大价钱来购买这种无线设备。
因此蓝牙的市场前景取决于蓝牙价格和基于蓝牙的应用是否能达到一定的规模。
其特点主要有以下几点：
（1）工作在2.4GHz的ISM频段，工作频段无需申请许可。
（2）当发射功率为1mW时，通信距离可达到10m，发射功率为100mW时通信距离可达100m。
（3）使用1Mb/s速率已达到最大限制宽带。
（4）使用快速调频（166跳/s）技术抗干扰。
（5）在干扰下，使用短数据帧尽可能增大容量。
（6）快速确认机制能在链路情况良好时实现较低的编码开销。
（7）采用CVSD话音编码，可在高误码率下使用。
（8）灵活帧方式支持广泛的应用领域。
（9）宽松链路配置支持低价单芯片集成。
（10）严格设计的空中接口使功耗最小。
（11）发射功率自适应，低干扰。
（12）采用灵活的无机站组网方式，使得一个蓝牙单元同时最多可以和7个其它的蓝牙单元通信，同时支持点对点和一点对多点的连接。
在业务的支持上，蓝牙规范同时支持数据业务和话音业务的传输，即同时支持异步方式（ACL）与同步方式（SCO）。
在工作模式上，蓝牙设备可以有两种选择，即主设备（Master）方式和从设备（Slave）方式。
主设备负责设定调频序列，从设备必须与主设备保持同步；主设备负责控制主从之间的业务传输时间与速率。
在组网方式上，蓝牙规范支持微微网（Piconet）和散射网（Scatternrt）2种模式，但对前者，一个主设备所支持的活跃从设备数不超过7个。
多个微微网可以通过节点桥接的方式构成散射网，但蓝牙规范并没有对散射网构成的细节加以定义。
蓝牙协议栈结构如1.1所示，就其工业实现而言，蓝牙标准可分为硬件和软件2部分，硬件部分包括射频/无
软件
硬件
图图1.1
线协议、基带/链路控制器协议和链路管理器协议（LMP），一般是做成一个芯片。
软件部分则包括逻辑链路控制与适配协议及其以上的所有部分。
硬件和软件之间通过主机控制器接口协议（HCI）进行连接。
也就是说HCI在硬
件和软件中都有，两者提供相同的接口进行通信。
图1.1中的高层协议包括：
串口通信协议（RFCOMM）;电话控制协议（TCS）;对象交换协议（OBEX）;控制命令（ATCommand）、vCard和vCalender电子商务表中的协议；PPP、IP、TCP、UDP等与因特网相关的协议以及WAP协议。
1.3蓝牙技术的应用
尽管开发蓝牙技术的初衷是用于取代移动或固定电子设备之间的链接电缆，但其特有的一些优势，如功耗低、体积小以及良好的抗干扰能力，使其应用范围大大扩大，而且还将继续扩展。
美国市场研究公司In-Stat/MDR于2003年5月发表的一份报告指出，垂直市场将为蓝牙技术提供大量机会，这些市场包括医疗保健、政府机关、移动电子商务、服务业、交通、通信、公共事业、制造业、矿业和零售业。
蓝牙技术自诞生以来，其作为“驱动新经济的引擎”受到很多公司和科研机构的重视，基于蓝牙芯片的各种蓝牙产品和蓝牙手机、蓝牙数码相机、蓝牙耳机、蓝牙MP3等也越来越多。
随着蓝牙技术的进一步发展和其价格的低廉化，今后还将实现家庭无线网（WirelessHome）和个人无线网。
然而，目前蓝牙技术的应用主要局限在通信电子等领域其他领域的制造商和科研工作者逐渐认识到蓝牙这一新兴技术将给社会带来巨大的变革。
根据蓝牙目前的发展状况和未来发展前景，蓝牙的应用将有更广阔的市场。
以下举例说明几种蓝牙技术潜在的应用。
⑴儿童监护跟踪设备
在人群密集和流动性大的公共场合，经常会发生儿童迷路或走失的情况基于蓝牙技术的儿童监护跟踪设备，可以有效地避免这些情况的发生。
在公共场合，父母佩戴一个主蓝牙标签，给儿童佩戴一个从标签，就可以随时了解孩子的位置。
当儿童离开父母超过预先设置的距离时，蓝牙主标签会发出一个警告给父母，并且可以从标签的位置。
蓝牙电子标签可以做成胸章、手镯和挂件等便于携带。
⑵无线抄表系统
目前的人力手工抄表方式工作量大、准确度低，且只能1个月左右反应1次用电情况，其信息反馈速度相当于电力调动的瞬间操作远远滞后，因而无法实现高低峰的电价应有所不同的要求。
而红外自动抄表方案是将数字电表的用电量信息用红外传输方式，通过电话线或局域网传输到接收端。
此种方案使用电话线传输不可能做到实时，且接收端所需的Modem等费用过高。
采用蓝牙技术和有线电视设备相结合即可以避免出现上述问题，又能较好的实现实时控制。
先将计费电表的直流信号通过加载的蓝牙芯片无线传输到CATV线路中的上行信道，通过遍布城乡的CATV网络，直接传输到物业公司或电业管理的调度部门后，再重新解调出数字信号，便可输入到计算机中完成网上任一用户的电费自动查询，当然，也可以与现有的电费收费网络系统相连接，以及与电网的调度指挥中心相连接成一个完整的用电管理网络。
⑶基于蓝牙的医学临床监护
在现有的医疗监护系统中，数据的监测和传输一般采用有线的方式。
连接到人体的各种连线不仅会使病人感到不舒服、心情紧张，从而导致所检测到的数据不准确，而且还使病房显得杂乱无章，影响病人的心情。
采用蓝牙技术可实现生理检测仪器的无线化，拜托监控电缆在病人身体上的缠绕，不会对人体正常活动产生干扰，在医院和家庭保障中有着良好的应用前景。
将带有蓝牙芯片的便携式微型传感器安置在人体上，可将病人的各项生理参数通过蓝牙技术传送到相应的接收设备上进行处理。
实际上，蓝牙技术的应用领域和场合不计其数，例如电子病历、防盗系统、无线电子钱包等。
1.4ULP蓝牙技术的价值
在短距离低功率无线领域，似乎蓝牙技术的地位已经不容质疑。
但在功耗和成本为主要约束的情况下，应用就受到了限制，较高的功耗使其应用不能使用功率极小的纽扣电池。
此外越来越多的产品要求装置和设备之间要能够实现无线协作，以现行的蓝牙技术，这只是一个梦想。
⑴ULP蓝牙技术填补空白
不同的技术似乎覆盖了整个无线通信领域，包括从远距离、高带宽一直到短距离、低功耗。
但是，许多工程师意识到迫切需要另外一种无线射频技术，其能够在小型个人便携式产品之间协作，而且耗电量极小，电池的寿命能够达到数月至一年。
专有解决方案都具备高带宽、抗干扰、电池寿命长等令人羡慕的特点。
但同时，产品间不能协作。
⑵扩大无线连接
蓝牙作为一个开放标准，鼓励半导体厂商之间进行良性竞争，促成了一系列相互竞争然而能够协同运作的产品和服务，而也正是BluetoothSIG培育了新兴的Wibree技术，并将其作为“蓝牙超低功耗无线技术”纳入蓝牙技术规范。
第2章ULP蓝牙系统体系结构
2.1ULP蓝牙系统体系结构概述
ULP蓝牙系统的体系结构自上而下是由应用层、Host层、HCI层（HostControllerInterface）和Radio层所组成的。
其中，Radio层又被分为了链路层和物理层。
如图2.1所示。
应用层
Host层
HCI层
Radio层链路层
物理层
图2.1ULP蓝牙系统协议栈的组成
?
应用层定义了各种类型的应用业务，是协议栈的最上层。
?
Host层定义了各种数据包的格式和一些协议的规范以及ULP蓝牙系统所采用的安全模式。
?
HCI层的作用就是对Host层和Radio层进行连接。
它提供了一个能够对ULP蓝牙系统的Radio层的功能进行访问的统一的接口。
?
链路层的功能是执行一些基带协议和其它一些低级的链路程序。
ULP蓝牙系统使用了频分多址（FDMA）和时分多址（TDMA）技术。
在FDMA方案中，ULP蓝牙系统的40个物理信道被分成了广播信道和数据信道。
基于轮询方案的TDMA被使用在了链路层中。
?
物理层采用跳频（frequencyhopping）技术来减少干扰和信号的衰减。
ULP蓝牙系统工作在2.4GHz频率，标准蓝牙和ZigBee都使用这个频率，这个频率属于ISM（IndustrialScientificMedical，工业、科学及医疗设备）频段，无须经过当局许可便可使用。
ULP蓝牙系统使用的中心频率为，其中k是0—39之间的任意整数，因此，ULP蓝牙系统共有40个通信信道。
在两个工作频带之间还存在着防护频带，带宽比较低的防护频带为2MHz，带宽比较高的防护频带为3.5MHz。
[1]
2.2蓝牙系统的拓扑结构
ULP蓝牙系统是建立在星形拓扑结构之上的。
如图2.2所示。
一个中央设备可以决定一个或多个外围设备的运行安排。
图2.2ULP蓝牙系统的拓扑结构
中央设备被称作主设备，它可以和多个外围设备进行通信。
外围设备被称作从设备，它只能和一个主设备进行数据包的交换。
数据包是在链路层的连接中被交换的。
一个从设备一次只能有一个链路层的连接。
因此，一个链路层的连接只能包含一个主设备和一个从设备。
在标准蓝牙中，一个主设备可以和7-16777184个从设备进行通信。
而在ULP蓝牙中是没有这个限制的，即一个主设备可以和无数个从设备进行通信。
因此，ULP蓝牙网络被限制为只有一个单一的主设备和一个或多个从设备的网络。
2.3蓝牙系统Radio层的状态和角色
ULP蓝牙系统Radio层有两种不同的工作状态：
空闲状态和连接状态。
如图2.3所示。
状态状态描述
空闲状态Radio层与其它Radio层没有任何链路层的连接
连接状态Radio层与其它Radio层至少存在一个链路层的连接
图2.3ULP蓝牙系统Radio层的工作状态
ULP蓝牙系统Radio层有五种不同的工作角色：
广播者角色、扫描者角色、发起者角色、主角色和从角色。
如图2.4所示。
角色角色描述
广播者角色Radio层在广播信道中周期性的发送广播帧。
扫描者角色Radio层在一定的范围内搜寻其它Radio层发送的广播帧。
发起者角色Radio层向另一个执行广播者角色的Radio层请求一个链路层的连接。
主角色Radio层决定链路层的操作安排。
执行主角色的Radio层一次可以有多个链路层的连接。
从角色只有当Radio层接收到其它执行主角色的Radio层所发送过来的数据包后，它才能开始发送数据包。
执行从角色的Radio层一次只能有一个链路层的连接。
图2.4ULP蓝牙系统Radio层的工作角色
当Radio层执行完发起者的角色后，就应该进入主角色。
或者，当Radio层执行完广播者的角色后，就应该进入从角色。
但是，Radio层不能同时执行广播者角色和扫描者角色，也不能同时执行主角色和从角色。
Radio层的工作角色的联合如图2.5所示。
广播者角色扫描者角色发起者角色主角色从角色
广播者角色—NONOYESYES
扫描者角色NO—NOYESNO
发起者角色NONO—YESNO
主角色YESYESYES—NO
从角色YESNONONO—
图2.5Radio层的工作角色的联合
第3章ULP蓝牙技术规范
3.1物理层规范
3.1.1信道分配
由于ULP蓝牙系统工作在ISM频段，而该频段根据有关法规属于工业、科学、医学等领域的工作频段，所以世界上绝大多数国家将该频段的带宽定为2400MHz～2483.5MHz，然而有些国家对该频段做了一些限制。
为满足这些限制，使设备能处于正常工作状态，从而设计了符合自身国情的各种调频算法。
没有采用这些算法的常规产品在这类地区是不能也不允许工作的。
但若为满足这些地区的使用而专门生产符合该地区要求的专用产品显然是非常不合算的。
虽然频率规划不完全一致，但2.4GHz的ISM频带基本上是一个在全球范围内都可以使用的无线频段。
各国为遵循带外规定，均在底边带和高边带设置了保护带宽。
3.1.2发射机
发射机最小的发射功率为-20dBm，最大的发射功率被监管局所限制。
发射机会根据Radio层的工作状态来动态地改变它的发射功率。
设备的传输功率等级不能超过控制管理实体所设定的最大值，而允许的最大传输功率等级取决于调制的模式。
发射机采用GFSK调制，BT=0.5，调制指数在0.45～0.55之间。
二进制1代表正的频率偏移，二进制0代表负的频率偏移。
在相邻信道上的相邻信道功率不同于2个或2个以上相邻信道数定义的相邻信道功率。
该相邻信道功率定义为在1MHz信道内功率测量的总和。
发射机功率以最大保持为100kHz带宽来测量。
如发射机在M信道上发射，而相邻信道功率在信道N上测量。
发射机是用发射一个伪随机数据帧通过测试。
在数据包中，对中心频率的偏移应该不大于±150kHz，这包含了初始的频率偏置和频率漂移。
在一个数据包中，频率偏移应该小于50kHz，最大的频率偏移率应该小于200Hz/us.
3.1.3接收机
实际的灵敏度水平定义为接收机的输入电平，这个接收机的输入电平可以满足0.1%的误比特率（BER）。
接收机的实际的灵敏度水平应该不大于-70dBm，以适应发射机设备的特性。
这个数值说明了ULP蓝牙无线层的成本大大降低了。
通过参考灵敏度电平3dB的有效信号去测量干扰性能。
带外阻塞被应用到了带宽为2400MHz～2483.5MHz之外的干扰信号上，应该采用比参考灵敏度电平高3dB的有效信号去测试。
3.2链路层规范
空中接口由多址接入方案、设备发现、链路层连接方式3个部分组成。
ULP蓝牙使用2种类型的地址：
设备地址和接入地址。
设备地址被进一步划分为共有设备地址和私有设备地址。
公有设备所特有的并且是不能被改变的；接入地址的作用就是用来标识一个链路层的连接，它是由连接的发起者所决定的。
ULP蓝牙使用频分多址（FDMA）和时分多址（TDMA）。
在FDMA方案中，40个物理信道被划分为广播信道和数据信道。
在链路的连接中使用基于轮询的TDMA方案。
在这种方案中，主设备总是发起一个包的交换序列，从设备只有在收到主设备发送过来的数据包后才能发送数据。
设备发现需要有一个广播者设备和一个扫描者设备。
广播者设备在广播信道上以广播事件的形式周期性地发送广播包。
广播事件被及时分割，目的就是为了减少在广播信道上的干扰。
扫描者设备的作用就是在本地区域内扫描关于播者设备的信息。
一个扫描者设备也许会请求更多的关于广播者设备的信息，并将这些信息作为一个扫描报告传送给Host层。
一个扫描者设备还会使用这些关于广播者设备的信息，并将这些信息作为一个为扫描报告传送给Host层。
链路层的链接配置是一个由Host层发起的过程。
在这个过程中，Host层会给出HCI_LL_Connection命令。
这样的ULP蓝牙设备就被称为发起者设备。
只要有一个连接配置请求，发起者设备就开始从给定的广播者设备上寻找ADV_IND数据包，因为这个阶段的过程与扫描阶段是一样的，所以使用了相同的定时参数。
Host层可以以HCI_LL_Connection命令的形式给出它们。
只要能成功地从给定的广播者设备中接收到这样的一个广播包，那么就会在接收到广播包的T_IFS时间间隔后去发送CONNECT_REQ数据包。
链路层的连接是由3个参数确定的：
连接事件时间间隔、从设备潜伏期和连接监督的暂停时间。
所有的数据传送都发生在有开始点和时间间隔的连接事件中。
连接事件的开始点是由主设备决定的，从设备也使用这个开始点。
从设备同步到被称为定位点的开始点。
连接事件会发生在时间间隔中，并且它们之间不会重叠。
连接事件的时间间隔是指2个连接的连接事件的开始点之间的时间间隔，被定义为参数connInterval.
3.3主机接口规范
命令和事件在ULP蓝牙Host层和ULP蓝牙Radio层之间发送。
它们被分为3个等级的功能被分在了不同的逻辑组中。
Radio层的配置命令用来重新设置和配置Radio层，属于这个功能租的命令为：
复位命令。
读缓冲区大小命令。
读公有设备地址命令。
设置私有设备地址命令。
读空滤波器数量命令。
写默认的滤波器策略命令。
将设置添加到设备地址白名单命令。
清除白名单上的设备地址命令。
写Radio层活动模式命令。
刷新命令。
设置事件屏蔽命令。
设备发现命令和事件用来控制广播和扫描功能，并且将扫描结果传送给Host层，属于这个功能组的命令和事件为：
写广播模式命令。
设置广播参数命令。
设置广播信道命令。
设置设备名称命令。
设置扫描响应参数命令。
写广播数据命令。
被完成的广播服务事件。
设置初始的随机向量命令。
写扫描模式命令。
设置扫描参数命令。
广播包报告事件。
扫描响应报告事件。
链路层连接管理命令和事件允许一个设备与另一个设备进行链路层连接并且对这个连接进行管理，属于这个功能组的命令和事件为：
创建链路层连接命令。
停止创建链路层连接命令。
远程链路层连接请求命令。
链路层连接被创建命令。
终止链路层连接事件。
更新链路层连接参数命令。
链路层连接参数更新完成事件。
更新信道映射命令。
信道映射更新完成事件。
已完成的分组数量事件。
Radio层安全管理命令和事件主要用于保护设备的隐私和对设备进行安全管理，属于这个功能组的命令和事件为：
设置密钥命令。
设置IV命令。
加密命令。
随机数命令。
配置加密命令。
加密配置请求事件。
加密配置完成事件。
3.4主机规范
在每个分组中，分组头总是首先发送。
分组头的功能是描述分组的类型，以及包含了更多的特定信息，一般有3种类型的分组：
（1）面向连接数据分组；
（2）属性协议分组；
（3）PAL协议分组。
范围用途
0x00～0x7F面向连接数据
0x80～0B7F属性协议消息
0xC0～0xFEPAL协议命令和响应
0xFF普通错误响应
图3.1分组头分配
面向连接数据包可以在信道处于连接状态的任何时刻进行发送。
面向连接数据的数据包格式如图3.2所示。
分组头1B（8进制）信道代码被用做分组头
配置数据1B～30B（8进制）面向连接的配置数据
图3.2面向连接数据包格式
有些应用的传输可能需要多个数据包而不是单单传输1个PAL数据包就能完成的。
因此，PAL有选择性的包括了分割和重组协议。
这使得应用层提交的较大的数据包能分割成多个较小的数据包在低层传输。
如果不支持分割和重组（SAR），那么分割和重组控制位应设备为00。
SAR分组格式和普通PAL分组格式相比，除了信道编码位（5位、5位），为非0位，以及被分割后的第1个分组里有2个额外的可选字节以外，其余的基本相同。
因此，SAR分组格式有2种：
SAR的开始分组格式和SAR的接续分组格式，分别如图3.3、图3.4所示。
7位5位、6位0位～4位1B、2B3B～30B
010信道IDSDU长度有效载荷
图3.3SAR的开始分组格式
7位5位、6位0位～4位1B～30B
0SAR控制信道ID有效载荷
图3.4SAR的接续分组格式
PA
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