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蓝牙(Bluetooth):在技术基础上扩展业务
2007/11/10 12:36:13    产通学院,365PR NET

蓝牙(Bluetooth,有时也简称BT)无线技术旨在取代连接便携设备和/或固定电子设备的缆线,是在两个设备间进行无线短距离通讯的最简单、最便捷的方法。由于采用“配置文件”这一独特概念,BT产品不再需要安装驱动程序软件,广泛应用于世界各地,可以无线连接手机、便携式计算机、汽车、立体声耳机、MP3播放器等多种设备。

在蓝牙特别兴趣小组(Bluetooth Special Interest Group,简称BT SIG)的推进下,BT无线技术已经成为两个设备间进行无线短距离通讯的最简单、最便捷的方法。2005年底,蓝牙无线产品周出货量已超过五百万件,已安装基站数超过5亿。

2007年6月12日,诺基亚表示其开发的Wibree无线技术将会加入成为蓝牙规格的一部分,并已经在Wibree论坛与蓝牙特别兴趣小组(SIG)达成了协议。该消息堪称BT无线技术发展史上的里程碑,将使BT技术在保持其固有优势的基础上,稳步向小型化无线电、低功率、低成本、内置安全性、稳固、易于使用并具有即时联网功能方向发展。

1、蓝牙的优势

BT技术之所以在无线短距离通讯领域得到广泛应用,与其固有优势分不开:

首先,BT无线技术规格供全球成员公司免费使用。许多行业的制造商都积极地在其产品中实施此技术,以减少使用零乱的电线,实现无缝连接、传输立体声,传输数据或进行语音通讯。BT技术在2.4GHz波段运行,该波段是一种无需申请许可证的工业、科技、医学(ISM)无线电波段。正因如此,使用BT技术不需要支付任何费用。除了设备费用外,用户不需要为使用BT技术再支付任何费用。

其次,BT技术是一项即时技术,它不要求固定的基础设施,且易于安装和设置,不需要电缆即可实现连接。新用户使用亦不费力:只需拥有BT品牌产品,检查可用的配置文件,将其连接至使用同一配置文件的另一BT设备即可。后续的PIN码流程就如同在ATM机器上操作一样简单。

再者,BT无线技术是当今市场上支持范围最广泛,功能最丰富且安全的无线标准。全球范围内的资格认证程序可以测试成员的产品是否符合标准。自1999年发布BT规格以来,总共有超过4000家公司成为BT特别兴趣小组(SIG)的成员。同时,市场上BT产品的数量也成倍的迅速增长。产品数量已连续四年成倍增长,安装的基站数量在2005年底达5亿个。

特别是,BT技术从一开始的设计中就融入了安全理念。由于它在开放的2.4GHz ISM波段上全球通用,因此一开始就构建入了稳固的特性。通过适应跳频(AFH),信号不断“跳跃”,从而限制了来自其它信号的干扰。另外,BT技术还内置有安全特性,如128位加密和PIN码验证。BT产品使用它们第一次连接时的PIN码彼此识别,连接后便始终保持安全连接状态。 

2、蓝牙规格的演进

由于具有上述优势,加上当时无线技术尚属开端,蓝牙技术在1998年出现时曾倍受Ericsson、IBM、Intel、Nokia、Toshiba等3C巨头的青睐,被认为是未来无线局域网(WLAN)的主流,不料1999年的Wi-Fi(IEEE 802.11a、11b)兴起与强劲发展,使BT成为WLAN主流的构想落空,之后蓝牙SIG组织只好调整策略,专注于无线个人局域网络(WPAN)。

在WLAN领域失利后BT被冷落了一段时日,且WPAN概念对普通大众而言仍属前瞻、陌生,以至转进的策略也未有立即成效,这段期间BT回归到其最原初的应用,即免持式话筒(俗称蓝牙耳机),BT原本就只是Ericsson为了取代传统有线免持话筒所提出的去线化技术,但是在其它大厂分别加入后才被寄予了多元化的应用。

时至今日,BT最普遍的应用仍是无线话筒,这是去除往日过大期望后的务实回归,除了话筒外BT也在各应用领域上渐有收获,话筒属于通讯应用,信息应用方面则有无线鼠标、无线键盘,以及部分的无线打印机等,消费性电子方面也有新一代电视娱乐产品的支持,包括Nintendo的Wii及Sony的PlayStation 3等,其无线游戏控制器都是用BT技术。此外,一些无线玩具、消费性GPS、车用电子也都倾向使用BT,BT再次成为众人重视的焦点。

(1)BT 1.0~1.2历程

BT依据规范标准有三种传输距离,且传距与发送功率有关,功率大则传距远,反之则近,BT最短的传输为1m内,功率低于1mW(0dBm);中距离为10m内,功率低于2.5mW(4dBm);长距离则为100m内,功率低于100mW(20dBm)。

虽有三个标准,但实际运用上仅常用短距与中距,100m的长距主要用在WLAN领域,因为WLAN的主流已是Wi-Fi,所以BT很少再使用长距,中距多用于无线列印之类,最常见的无线话筒则多是在1m内的短距。

BT在初期发展并不顺利,许多业者制造出的BT产品无法互通,1.0版与1.0B版强制规定硬件装置必须在握手程序中进行寻址式发送,在协议层中无法使用匿名发送,这样就难以在BT环境中进行服务规划,这是BT初期最大的一个挫项。之后BT进入1.1版,1.1版的主要改进有三点:
(1)修正1.0B版中的多项错误。
(2)支持未使用传输编码的通讯信道。
(3)增加接收信号强度指示(Received Signal Strength Indicator,RSSI)。

2003年BT 1.2版发布,1.2版兼容过往的1.1版,且主要有五项提升:
(1)更快速的通讯连接与装置搜探。
(2)增加可适性跳频(Adaptive Frequency~Hopping,AFH)机制。
(3)强化实务上的传输率,达723.1kbps。
(4)增加延伸性的同步连接(extended Synchronous Connections,eSCO)。
(5)在主控接口(Host Controller Interface,HCI)上增加对三线式UART的支持。

在五项提升中,第2、4项值得进一步说明,先说明AFH,这主要是为了避免BT与Wi-Fi相互干扰而追加设计,由于BT、Wi-Fi都使用2.4GHz频段,且两者处在相同的通讯收发空间中,两者的电波会相互干扰,使双方难以正常运作,为了让两者能在同一空间相安共容地运作BT追加了AFH机制。

在尚未具备AFH机制前,BT本身就已经使用跳频手法来抗干扰,BT在2.4~2.485GHz频段间切划出79个频道,每个频道频宽为1MHz,BT通讯每次只使用79个频道中的1个频道,但使用时间短暂,使用时间一到就会随意跳换到其它78个频道中的任1个频道,并接续之前的通讯运作,如此的跳换每秒要进行1,600次。

不过这个跳换是机械性、制式的跳换,此一跳换正是为了抵抗干扰,最初是以其它同为2.4GHz 的应用(如微波炉)为主要设想,但却没有想到Wi-Fi,为了能与Wi-Fi共存运用,所以将机械性的制式跳频改成可适性的跳频。

其次是eSCO,eSCO是针对语音应用而强化,一般来说语音传输具有时效性,在一定的时间内必须有一定的传输量,为了满足此需求通常会牺牲数据的正确性,即便数据传输后有些走样、偏误也大概接受,错误的信息最终对音频播放内容不会造成太大影响,即便有影响人耳也不易察觉,即便察觉也只占极短的播放时间,也因此传输错误的音频封包不会被要求重新传输。

但是,若经常出现偏误,或偏误程度过大,依然会对音频质量造成影响,为了改善音频质量BT 1.2加入了eSCO,是原有SCO的扩展延伸,在音频的同步传输时仍对错误的封包要求重新发送,以此来强化音频质量。

(2)增速的BT 2.0

BT 2.0于2004年11月推出,2.0版相容过往的1.x并将传输率提升三倍,达2.1Mbps以上,也因此被称为EDR(Enhanced Data Rate)版。除了速率提升外,其它的改善还有:减少工作周期进而减少功耗、简化多重连线的机制以节省更多可用的频宽、减少数据错误率使传输效能提升。

BT 2.0有一个玄机:由于更高的传输率将会导致更高的功耗,但在相同的数据量下BT 2.0比BT 1.x更快完成传输,并尽快进入休眠、省电模式,功耗反而只有1.x版的一半用电。目前,应用最为广泛的BT技术是BT 2.0+EDR标准,支持BT 2.0+EDR标准的产品也于2006年大量出现。虽然BT 2.0+EDR标准在技术上作了大量的改进,但从1.X标准延续下来的配置流程复杂和设备功耗较大的问题依然存在。

(3)最新蓝牙标准:BT 2.1+EDR

为了进一步改善蓝牙技术存在的问题,蓝牙SIG组织于2007年7月推出了BT 2.1+EDR版本的蓝牙技术。BT 2.1强化了BT的安全性、使用性。

(1)改善装置配对流程:由于有许多使用者在进行硬件之间的蓝牙配对时,会遭遇到许多问题,不管是单次配对,或者是永久配对,在配对的过程与必要操作过于繁杂,以往在连接过程中,需要利用个人识别码来确保连接的安全性,而改进过后的连接方式则是会自动使用数字密码来进行配对与连接,举例来说,只要在手机选项中选择连接特定装置,在确定之后,手机会自动列出目前环境中可使用的设备,并且自动进行连接。

而短距离的配对方面,也具备了在两个支持蓝牙的手机之间互相进行配对与通讯传输的NFC(Near Field Communication)机制。NFC是短距离的无线RFID技术,以电磁波为基础,取代传统无线电传输。由于NFC机制掌控了配对的起始侦测,当范围内的两台装置要进行配对传输时,只要简单的在手机屏幕上点选是否接受联机即可。不过要应用NFC功能,系统必须要内建NFC芯片或者是具备相关硬件功能。

(2)更佳的省电效果:蓝牙2.1版加入了Sniff Subrating的功能,通过设定在两个装置之间互相确认信号的发送间隔来达到节省功耗的目的。一般来说,当两个进行连接的蓝牙装置进入待机状态之后,蓝牙装置之间仍需要透过相互的呼叫来确定彼此是否仍在联机状态,当然,也因为这样,蓝牙芯片就必须随时保持在工作状态,即使手机的其它组件都已经进入休眠模式。为了改善这样这样的状况,蓝牙2.1将装置之间相互确认的信号发送时间间隔从旧版的0.1秒延长到0.5秒左右,如此可以让蓝牙芯片的工作负载大幅降低,也可让蓝牙可以有更多的时间彻底休眠。根据官方的报告,采用此技术之后,蓝牙装置在开启蓝牙联机之后的待机时间可以有效延长5倍以上。
 
(3)强化频宽管理(Quality of Service,QoS):强化高质量的音频、视频传输,特别是在同一个piconet内将可以竭尽所能(best effort)地传输。

(4)Wibree无线技术并入蓝牙规格
 
诺基亚2007年6月12日表示,其开发的Wibree无线技术将会加入成为蓝牙规格的一部分,并已经在Wibree论坛与蓝牙特别兴趣小组(SIG)达成了协议。诺基亚开发的Wibree技术能够帮助耳机、键盘、滑鼠等装置更好的与电脑连接。这一技术只需使用非常小的电力,所以手表或附在使用者身上的传感器等装置可以更有效地连接。Wibree技术采用了与蓝牙相同的2.4GHz频率,但只消耗1/10的电力(当然传送范围会减小)。

Wibree技术的并入,将不仅使蓝牙技术前进的步伐更稳健,更值得称道的是,蓝牙规格从此少了一个有力的竞争者。

(5)BT 3.0大变革:BT over UWB

在BT 2.1之后的BT将会有大的技术变革动作,由于原有的跳频作法已让BT难有更高的传输率,同时为了保持BT一贯注重的省电性,BT SIG在2006年3月宣布新版BT将在无线射频层上换用新技术,由现有技术改换成超宽带(Ultra Wide Band,UWB)技术,且是用WiMedia Alliance所主张的MB-OFDM(Multi-Band Orthogonal Frequency Division Multiplexing)技术,BT 3.0的研发代号为Seattle(西雅图,美国城市)。

BT 3.0预计能有480Mbps的速率,如此使BT与无线USB(Wireless Universal Serial Bus,WUSB)间的竞争更为明显。WUSB的极速也是480Mbps,不过必须在3m距离内才能达如此极速,WUSB最远传距为10m,3~10m间只能有110Mbps的传速。由于BT 3.0未最终确定,因此无法得知480Mbps的最高速率必须在多远的传距内才能发挥。

BT 3.0变革虽大,但也尽可能维持与现有BT各版本间的兼容,此外从BT SIG仍持续制订BT 2.1的动作来看,未来将会有一段时间是BT 2.x与BT 3.0并存的发展格局。

3、主版本之外的改进

除了主版本强化演进外,BT也有其它值得留意的发展与举动,例如BT SIG就订立了一个新的BT应用型态(Profile):A2DP(Advanced Audio Distribution Profile),此是用来强化流媒体的影音播放传输。

另外,BT SIG也期望能扩展延伸BT的应用,因此在2006年5月额外成立了医疗装置的工作小组,该小组有19家业者会员(如IBM、Intel、Motorola、Philips等),共同拟制适合于医疗器材、仪器设备的BT应用型态,由此可知BT的下一个市场是医疗硬件,而许多人关注的车用电子领域,对BT而言反而不需要新的规范定义,原有的技术规范多可立即照用。

再者,BT SIG在2006年6月推行体验图示计划(Experience Icon Program),期望将BT的数种功效应用化成简单的标章图示,并印于末端零售产品的包装盒上,使消费者更易辨识所买物所具备的BT应用功效,目前推行的图示有5种,包括Headset(免持话筒)、Print(无线列印)、Input(鼠标、键盘输入)、Transfer(档案传输)、Music(音乐播放)等。

值得一提的还有:BT SIG不仅是BT技术的研拟机构,同时也是BT SIG技术的授权机构、兼容互通性的认证机构,所以对未经授权但却标榜BT技术的产品自是无法容忍,因此在2006年9月突击检查了深圳地区的非法生产业者。

接着在2006年10月,BT SIG虽然希望进行产品认证,但却对认证速度不满意,进而推行了新的认证程序,新程序可加速BT产品的认证速度。

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