蓝牙技术原理

shanghairen

有很多种不同的方式可以将各种电子设备连接在一起。例如：
•部件线缆

•电线

•以太网线缆

•无线网

•红外线信号

如果你使用计算机、娱乐系统或电话，则系统的各个部分组成一个电子设备“社区”。这些设备之间通过各种电线、线缆、无线电信号、红外线束以及更多种类的连接器、插头和协议进行通信。

连接技术日益复杂。本文将介绍一种可简化设备连接过程的方法，称为“蓝牙”。蓝牙连接为无线自动连接，它有很多有趣的功能，可为我们的日常生活带来方便。

问题

如果任意两个设备需要相互“对话”，则在开始“对话”之前，它们需要在很多方面达成“协议”。首先是物理层：它们是通过线缆，还是通过某种形式的无线信号进行“对话”？如果使用线缆，那么需要多少条，1条、2条、8条，还是25条？确定好物理特性后，还会出现以下问题：

•一次要发送多少数据？例如，串行端口一次可发送1比特的数据，而并行端口一次可发送若干比特的数据。

•它们将如何进行“对话”？参与电子“讨论”的各方需要知道比特数据的含义，以及接收到的信息与发送的信息是否相同。这意味着需要开发一组命令和响应，称为“协议”。

蓝牙解决方案

蓝牙不需要用户干预，且始终保持极低的传输功率以节约电池能量，从而将小区域网络提升了一个层次。假设：你正在家门外使用蓝牙手机打电话。你告诉电话另一端的人，自己需要把手上的东西放在家中，请对方五分钟后再打电话过来。你进入家门后，手机从汽车的蓝牙全球定位系统接收到的地图被自动发送到家中的蓝牙计算机上，这是因为手机从个人计算机上接收到蓝牙信号，且自动发送了你指定传输的数据。五分钟后，当你的朋友再次打来电话时，你家中的蓝牙电话响了，而你的手机并没有响。虽然对方拨打的是相同号码，但你的家庭电话知道你已回到家中，因此在接收到手机的蓝牙信号后，自动对电话进行了转接。你的手机每次接收和发送信号都只消耗1毫瓦的功率，因此整个过程基本上不会消耗你手机上的电量。

蓝牙是应用于以下两个层上的主要网络标准：

它促成物理层达成协议，蓝牙属于无线电频率标准。

它促成协议层达成协议，产品必须就何时发送比特、一次发送多少比特，以及如何让对话各方确信接收信息与发送信息相同达成协议。

蓝牙技术联盟供图  蓝牙无线PC卡

蓝牙的最大优点是无线、成本低和自动化。还可通过其他方式无线缆传输数据，包括“红外线通信”。红外线（IR）指低于人眼可接收和感觉频率范围的光波。 红外线用于大多数电视遥控系统。红外线大多数应用于电视遥控系统。红外线通信很安全，且嵌入设备的成本很低，但是有两个缺点。首先，红外线是“视距”技术。例如，必须将遥控器指向电视或DVD播放机，遥控才能起作用。其次，红外线通常是“一对一”技术。你可以在台式电脑和笔记本电脑之间发送数据，但是不能同时在笔记本电脑和PDA之间发送数据。（要了解有关红外线通信的更多信息，请参见《遥控器工作原理》。）

红外线的这两个特点在某些方面实际上具有优势。由于红外线发射器和接收器必须在一条直线上，因此设备之间一般不会产生干扰。红外线通信的一对一特性非常有用，即使是在布满红外线接收器的房间中，也可以确保信息只发送给预定的接收器。

蓝牙旨在解决红外线系统中存在的问题。早期的蓝牙1.0标准最大传输速率为1兆比特/秒 (Mbps)，而蓝牙2.0最大传输速率为3兆比特/秒。蓝牙2.0设备向后兼容1.0设备。

现在让我们来了解蓝牙网络的工作原理。

蓝牙网络通过低功率无线电波传输数据。它的通信频率为2.45千兆赫（实际是介于2.402千兆赫和2.480千兆赫之间）。国际协议已经规定工业、科研和医疗设备（ISM）使用这个频带。

你使用过的许多设备或许采用的就是这个无线电频带。婴儿监护器、车库开门器和最新型的无绳电话均使用ISM频带的频率。确保蓝牙和这些设备互不干扰已经成为设计过程中极其重要的一部分。

避免蓝牙设备与其他系统互相干扰的方法之一是发送约1毫瓦的非常微弱的信号。通过对比，最大功率的手机可传输3瓦的信号。 低功率将蓝牙设备的传输范围限制在约10米范围内，消除了计算机和手提电话或电视之间的干扰。即使是在低功率情况下，蓝牙也不要求通信设备之间必须是视距。房间内的墙壁不会阻止蓝牙信号，这在控制不同房间内的多个设备时特别有用。

蓝牙最多可同时连接8台设备。如果将这8台设备全部放到相同10米的范围内，你可能认为它们之间会互相干扰，但事实并非如此。蓝牙采用了一种名为“展频跳频”的技术，可最大程度避免多台设备同时使用相同的频率进行传输。使用这种技术，每台设备都将使用指定范围内79个单独且随机选择的频率，同时有规律地从一个频率换到另一个频率。如果使用蓝牙技术，则发射器的频率每秒变化1,600次，这就意味着更多的设备可以充分利用无线电频谱的有限频段。由于每个蓝牙发射器都自动使用展频传输，因此不太可能出现两个发射器同时使用相同的频率。因为在特定频率上产生的任何干扰持续的时间远不到1秒钟，所以该技术还将手提电话或婴儿监护器干扰蓝牙设备的风险降至最低。

当蓝牙设备相互近距离接触时，就会发生电子会话，来确定是否有数据需要共享，或者是否需要让一方控制另一方。用户不需要按按钮或发出指令，电子会话即可自动进行。会话一旦开始，设备（无论是计算机系统的一部分，还是立体声系统的设备）将形成一个网络。蓝牙系统会创建一个个人域网络（PAN）或微微网（piconet），该网络也许充满一个房间，也许只是皮带夹上的手机至头上的耳机之间的距离。微微网一旦形成，各装置将和谐地随机跳频，以保持互相联系，同时又避免与同一房间内正在运行的其他微微网发生干扰。在下一节，我们将举一个蓝牙连接系统的例子。

piconet

我们假设你有一个典型的现代化起居室，里面有典型的现代化设备。其中有一套娱乐系统，由一台立体声音箱、一台DVD播放机、一台卫星电视接收器和一台电视组成；此外还有一部无绳电话和一台个人计算机。每个系统都使用了蓝牙，且都形成了各自的piconet，以便主要设备能与外围设备进行“对话”。

无绳电话的底座中有一个蓝牙发射器，在听筒中有另一个蓝牙发射器。制造商已经使用地址对每个部件进行了编程，这些地址均属于为特定类型的设备建立的地址范围。第一次打开电话底座时，蓝牙发射器将发射无线电信号，要求得到具有特定范围内某一地址的任何部件做出响应。由于听筒的地址在该范围内，因此听筒作出响应，这样就形成了一个微型网络。此时，即使其中一台设备应接收另一个系统中的信号，也会忽略该信号，因为该信号不属于该网络。计算机和娱乐系统同样如此，在制造商设立的地址范围内建立网络。形成网络后，系统间就可以开始进行“对话”。每个piconet在可用的频率中随机跳频，因此所有piconet相互是完全独立的。

此时起居室内已建立了三个独立的网络，每个网络的组成设备都知道各自所应监听的发射器的地址和所应与其“对话”的接收器的地址。由于每个网络所使用的频率在一秒内就有数千次的变化，因此任何两个网络都不大可能同时使用相同的频率。即使出现这种情况，产生干扰的时间也是一瞬间，专用于校正此类错误的软件将清除干扰信息，使网络继续运行。

shanghairen

无论是哪种无线网络，安全都是人们最关心的问题。某些设备很容易捕获到空中的无线电波，因此在通过无线连接发送敏感信息时，需要采取适当的防范措施，以确保这些信号不会被截获。蓝牙技术同样如此：它是无线的，因此容易被窃听和远程访问，就像在网络不安全时无线上网容易受到攻击一样。只是对于蓝牙来说，它省时省力的自动连接特性同时也为不经接收者许可而向其发送数据提供了方便。

蓝牙提供了若干种安全模式，蓝牙装置采用何种安全模式由设备制造商确定。在几乎所有情况下，蓝牙用户都可以建立无需请求许可即可进行数据交换的“可信设备”。当其他设备试图与用户的手机建立连接时，用户必须决定是否允许建立连接。服务级别安全性和设备级别安全性共同保护蓝牙设备不受未授权数据传输的影响。安全手段包括授权和身份识别两个步骤，这两个步骤限制注册用户对蓝牙服务的使用，并要求用户确定是否打开文件或者接受数据传输。只要用户的电话或其他设备中采用了这些措施，就不大可能发生未授权的访问。此外用户还可以将其蓝牙模式轻松切换至“不可发现”模式，彻底避免与其他蓝牙设备连接。如果用户使用蓝牙网络主要是为了同步家中的设备，则该功能可能是在公共场合避免安全漏洞的好方法。

虽然早期的手机病毒编写者曾利用蓝牙的自动连接功能发送感染病毒的文件，但自从大多数手机使用安全的蓝牙连接（即来自未知设备的数据在被接受之前需得到授权和鉴权）以来，感染病毒的文件一般都无法传输。病毒一旦进入用户的手机，用户必须决定是否打开和安装它。这样到目前为止，大多数手机病毒已得到控制，无法形成大的危害。有关更多信息，请参见手机病毒工作原理。

由于蓝牙自身存在的安全性问题，现在已经陆续出现了其他形式的入侵，如“蓝劫（Bluejacking）”、“蓝牙窃听”和“汽车偷听软件”。“蓝劫”指蓝牙用户向10米范围内的其他蓝牙用户发送名片（实际上只是文本信息）时，如果其他用户不知道信息的内容，可能会允许将该联系人添加到自己的通讯簿中，这样该联系人就可以向该用户发送可以自动打开的信息，因为这些信息来源于已知的联系人。“蓝牙窃听”的危害更严重，黑客可以使用它在用户毫无察觉的情况下远程访问用户的手机，以及使用手机的功能，包括拨打电话和发送文本信息。“汽车偷听软件”是一种软件，黑客使用它可以从蓝牙汽车立体声系统中发送和接收音频信息。正如计算机的安全漏洞一样，这些脆弱性在技术创新过程中是不可避免的，针对出现的新问题，设备制造商也在不断发布固件升级。

sacq12

自觉接受科普