【文章內容簡介】 、互操作的性能。 下一代高速藍牙決定采用超寬帶 (UWB)技術?，F(xiàn)有藍牙規(guī)格在物理層中采用基于跳頻方式的頻譜擴散技術。作為其傳輸技術，將來準備采用UWB 這一方針是由藍牙標準化團體美國藍牙興趣小組 (Bluetooth Special Interest Group, Bluetooth S IG)于 2020 年宣布的。藍牙規(guī)格對物理層與北京交通大學畢業(yè)設計（論文） 第 頁 10 MAC 層以及 上層的應用層做了相應的規(guī)定。藍牙興趣小組有關人士此前已經提到將來有可能將 UWB 用作物理層。該小組表示， “藍牙己被大量應用于手機，而且認證程序也己經完善。假如再結合 UWB，就將能夠實現(xiàn)面向便攜終端高速無線通信的最佳接口 ”。飛思卡爾的 XS110 DSUWB 解決方案己在 2020 年通過美國聯(lián)邦通訊委員會 (FCC)認證，目前己可提供 110 Mbps 的通訊速率，通訊范圍也已達 20 米。 XS110 支持 、 mini PCI、IE EE1394 及 Compact Fl ash 等接口及 TCP/IP 協(xié)議。 2020 年 11 月，藍牙興趣小組曾向業(yè)界介紹了今后的舉措，比如，降低耗電量，以便用于傳感器網(wǎng)絡終端，以及長距離傳輸?shù)取? 客觀地說 ，藍牙采用的技術中有些并非是當前該領域最先進的技術。藍牙的目標是全球通用、價格低廉、結構緊湊，因此它并不強調技術的先進性。 藍牙技術自提出以來，在短短 2 年里已風靡全球。目前全球己有 2020多家企業(yè)推出了藍牙芯片、藍牙平臺、應用程序、測試設備等產品。藍牙技術推出以來，經過不斷的研發(fā)和改進，技術已經臻于成熟，并在移動通信、汽車、筆記本電腦、 的追捧。藍牙技 術的應用前景十分廣闊，具權威的市場調研機構 InStat報告，藍牙已確立了作為語音和數(shù)據(jù)傳輸?shù)亩叹嚯x無線解決方案的地位，據(jù) InStat 統(tǒng)計， 2020 年藍牙芯片出貨量達到 億片，比 2020 年增長%，而預計 2020 年藍牙芯片出貨量達到 億片，到 2020 年將達到 億。 2020 年 10 月藍牙技術聯(lián)盟 (Bluetooth Special Interest Group)宣布，藍牙產品每周的發(fā)貨量已達到 950 萬，創(chuàng)下里程碑式的重要紀錄。這再一次證明藍牙是架設個人局域網(wǎng)的最佳無線技術。有關專家指出 ，移動電話是藍牙普及的核心。而這又幫助藍牙滲透到其他產品，包括筆記本電腦、耳機、汽車和便攜式數(shù)字音樂播放機。 InStat 的最新報告發(fā)現(xiàn) :面對無線USB、無線 1394 和 WiFi 等的競爭，藍牙需要不斷適應。 InStat 的美國消費者家用技術調查表明，消費者對藍牙的認識日益加深，對無繩立體聲耳機的興趣越來越大。 2020 年符合藍牙 增強數(shù)據(jù)率 (EDR)的芯片開始進入市場，提供較高的帶寬和較低的功耗。 雖然 ，由于藍牙技術的發(fā)展速度一直未達到預計的要求而使一些業(yè)內人士對藍牙技術產生了懷疑，但是作為一種前景光明 的連接技術，藍牙仍以驚人的速度向前發(fā)展 . 本文主要內容 全文分為四 章，具體內容如下 : 第一章為緒論部分，介紹了藍牙的基本情況、藍牙的由來、藍牙國內外的研究動態(tài)以及藍牙技術及產品的現(xiàn)狀。第二章對藍牙技術進行了詳細北京交通大學畢業(yè)設計（論文） 第 頁 11 的介紹。對藍牙的關鍵技術進行了分析，給出了藍牙的技術指標和系統(tǒng)參數(shù)，研究了藍牙通信協(xié)議棧，闡述了藍牙的技術特點及應用。第三章對藍牙的安全系統(tǒng)進行了分析，講述了藍牙的低層安全機制和高層安全機制，分析了藍牙的系統(tǒng)風險與威脅，給出了藍牙的安全性分析與建議。第四 章 主 要是基于 DES 的藍牙數(shù)據(jù)加密的實 現(xiàn)，本章對適用于藍牙技術的 DES算法進行了描述，并試圖將 E0 加密算法的接口改為 DES 算法接口，并列出 Linux 下藍牙鏈路級加密部分源碼。 最后是結論 和參考文獻。 2 藍牙技術簡介 藍牙技術概況 藍牙技術是一個開放性的、短距離無線通信技術標準 ，它是基于 WPAN (Wireless Personal Area Network) 的無線網(wǎng)絡連接技術，是以短程無線電收發(fā)技術為固定與移動設備通信環(huán)境建立了一個短程無線電的特別連接。它建立一個通用的無線電空中接口以及控制軟件的公開標準，使無線通信技術和計 算機技術緊密結合，使不同廠家生產的便攜式設備在沒有電線或電纜相互連接的情況下在近距離范圍內具有互用、互操作的性能，代替固定與移動通訊設備之間的電纜。在各種數(shù)字設備之間實現(xiàn)靈活、安全、低成本、小功耗的話音和數(shù)據(jù)通信。作為 一 種 短距離的無線通信技術，藍牙技術并不是唯一的。但是與其他相應的無線通信技術比較起來，藍牙技術的優(yōu)勢在于它是全球統(tǒng)一的、開放的的技術標準，技術先進與成本低廉的折衷統(tǒng)一考慮，以及世界藍牙組織 SIG 知識產權共享的巨大誘惑力。近年來，世界上一些權威的標準化組織，也都在關注藍牙技術標準的制定和發(fā) 展。例如， IEEE 的標準化機構，也已經成立了 工作組，專門關注有關藍牙技術標準的兼容和未來的發(fā)展等問題。 TG1 就是討論建立與藍牙技術 版本相一致的標準； TG2 是探討藍牙如何與 無線局域網(wǎng)技術共存的問題 。而 TG3 則是要研究未來藍牙技術向更高速率 (如 10~20Mbit/s) 發(fā)展的問題。關于無線局域網(wǎng) 與藍牙技術可以共存、相互補充的問題，許多專家己有共識，并且已經提出一些可行的技 術方案進行深入的研究；例如藍牙采用自適應跳頻的方式避開無線局域網(wǎng)的 22MHz 的頻段，或者對藍牙及無線局域網(wǎng)的發(fā)射功率加以控制，從而使其相互之間的干擾減至最小等。與此同時，世界藍牙組織 SIG 的各個技術工作組也在積極開展工作，加快制定各種實用的縱向應用規(guī)范 Profiles。例如，網(wǎng)絡打印、靜態(tài)圖象的傳輸、汽車應用平臺、電子商務、工業(yè)自動化及信息安全等。藍牙使用 全球通用的 ISM 頻段，由于這個頻段對所有無線電系統(tǒng)都開放，因此使用北京交通大學畢業(yè)設計（論文） 第 頁 12 其中的某個頻段都會遇到不可預測的干擾源。為保證藍牙設備在這種噪雜的無線環(huán)境中能可靠地工 作，藍牙特別設計了快速確認和跳頻方案以確保鏈路穩(wěn)定。跳頻技術是把頻帶分為若干個跳頻信道，在一次連接中，無線電收發(fā)器按一定的碼序列不斷的從一個信道跳到另一個信道，只有收發(fā)雙方是按這個規(guī)律進行通信的，而其他的設備干擾源不可能按同樣的規(guī)律進行千擾。跳頻的瞬時帶寬是很窄的，但通過擴展頻譜技術使這個窄帶寬成百倍的擴展成寬帶寬，使干擾可能的影響變得很小。與其他工作在相同頻段的系統(tǒng)相比，藍牙跳頻更快，數(shù)據(jù)包更短，這使藍牙系統(tǒng)比其他系統(tǒng)都穩(wěn)定。理論上講，這種跳頻每秒為 1600 次，系統(tǒng)有 78 個可能的信道。 在短短的十幾年時間 里，藍牙技術風靡全球，什么原因使得它有如此大的影響力 ?本節(jié)將就藍牙關鍵技術、藍牙技術特點、主要技術指標和系統(tǒng)參數(shù)、藍牙網(wǎng)絡、藍牙協(xié)議體系結構、藍牙技術的特點等方面對藍牙技術進行了比較全面的介紹和分析。 藍牙關鍵技術分析介紹 藍牙技術的初衷是取代現(xiàn)有的 PC、打印機、傳真機和移動電話等設備上的有線接口，因而可以用無線接口來代替有線電纜連接，有很強的移植性。客觀地說，藍牙所采用的技術有些并不是當前該領域最先進的技術。藍牙技術的目標是全球通用、價格低廉、結構緊湊和功耗低，它不強調技術的先進性。 選擇 頻段、地址碼、速率 藍牙使用全球通用的 Hz ISM (Industrial, Scientific and Medical) 頻段，它是一個無需申請許可就可以使用的頻段，因此，它消除了藍牙技術“國界”的障礙。 任何一個藍牙設備都可根據(jù) IEEE802 標準得到一個唯一的 48 比特的藍牙地址碼 (BD_ADDR)，它是一個公開的地址碼，可以通過人工或自動進行檢查。 在 BD_ADDR 基礎上，使用一些性能良好的算法可獲得各種保密和安全碼，從而保證了設備識別碼 (ID) 在全球的唯一性，以及通信過程中設備的鑒權和通 信的安全保密。藍牙的數(shù)據(jù)速率為 1Mbit/s 以時分方式進行全雙工通信，其基帶協(xié)議是電路交換和分組交換的組合。 跳頻擴頻與糾錯的方案 因為 ISM 頻段是開放的，所以運行在這一頻段的無線系統(tǒng)會面臨許多難以預測的干擾，比如某種監(jiān)視器、無繩電話和微波爐都有可能是干擾源。這使得藍牙系統(tǒng)的傳送錯誤率遠遠高于實際應用的水平。為此，藍牙特別設計了快跳頻和短分組的技術，有強的抗信號衰落和低的同頻干擾性，既北京交通大學畢業(yè)設計（論文） 第 頁 13 保證了藍牙系統(tǒng)比其他類似的系統(tǒng)更為穩(wěn)定，又保證語音和數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴? 藍牙技術采用 1/3 比例前向糾錯編碼 ( FEC)， 2/ 3 比例前向糾錯編碼(FEC)和自動重發(fā)請求 (ARQ)等三種糾錯方案。前向糾錯的目的是為了減少數(shù)據(jù)重發(fā)的次數(shù)。但在無誤碼環(huán)境下， FEC 產生的無用檢驗位降低了數(shù)據(jù)的吞吐量，因此，是否采用 FEC 可視需要而定。分組報頭含有重要的連接信息和糾錯信息，始終采用 1/3FEC 方式進行保護性傳輸。在無編號的 ARQ方案中，在一個時隙中傳送的數(shù)據(jù)必須在下一個時隙得到收到確認。只有數(shù)據(jù)在收端通過了報頭錯誤檢測和循環(huán)冗余檢測認為無誤后，才向發(fā)端確認消息，否則，返回一個錯誤消息。 此外 ，話音信道采用連續(xù)可變斜率增量調制 (Continuous Variable Slope Delta, CVSD) 或脈沖編碼調制 (Pulse Code Modulation, PCM) ，可以處理丟失和被破壞的語音采樣，即使比特錯誤率達到 4%，用 CVSD 或PCM 的編碼還是可聽的。 射頻特性 射頻是介于聲音頻率與紅外線頻率之間的電磁波頻率。對于無線通信系統(tǒng)而言，射頻部分就是通信系統(tǒng)的 “空中接口 ”，不同廠商生產的設備要實現(xiàn)兼容或者互操作的基本要求就是射頻規(guī)范的統(tǒng)一，而且通信質量也是由射頻來決定的。 藍牙射頻規(guī)定了藍牙射頻頻段、調制 方式、跳頻頻率、發(fā)射功率、接收機靈敏度等參數(shù)。 藍牙 天 線 發(fā)射功率按標稱的 0dBm 設計，遵循 FCC(美國聯(lián)邦通信委員會 )有關電平為 0dBm 的 ISM 頻段的標準。理想的連接范圍為 10 厘米到 10 米 .采用了擴頻技術后，發(fā)射功率達到 100mw 以上，通信距離延長至 100 米。發(fā)射功率具有自適應性。 鏈路類型 藍牙系統(tǒng)中有兩種物理鏈路：異步無連接鏈路 ACL(Asynchronous Connectionless)和同步面向連接鏈路 SCO( Synchronous Connection Oriented)。 ACL 鏈路是微微網(wǎng)主設備和所有從設備之間的同步或異步數(shù)據(jù)分組交換鏈路，主要用于對時間要求不敏感的數(shù)據(jù)通信，如文件數(shù)據(jù)或控制信令等。 SCO 鏈路是一條微微網(wǎng)中由主設備維護的點對點、對稱的同步數(shù)據(jù)交換鏈路，主要用于對時間要求很高的數(shù)據(jù)通信，如語音等。它們有著各自的特點、性能與收發(fā)規(guī)律。 安全機制 北京交通大學畢業(yè)設計（論文） 第 頁 14 藍牙網(wǎng)絡的安全性是藍牙系統(tǒng)的關鍵技術，將是影響藍牙網(wǎng)絡能否得到廣泛應用的關鍵因素。 藍牙網(wǎng)絡中的安全模式分為以下三類 : 安全模式 1:又稱無安全模式，運行在該模式下 ,藍牙設備可以屏蔽所有的安全機制。 安全模式 2:稱服 務級安全模式，該模式為應用程序提供多種靈活的訪問策略 . 安全模式 3:稱鏈路級安全模式，該模式要求設備在建立鏈路連接前要啟動鏈路級安全措施。 安全模式 2 與安全模式 3 本質區(qū)別在于 :模式 2 下的藍牙設備在信道建立以后啟動安全性過程，其安全性過程在較高協(xié)議進行 。模式 3下的藍牙設備在信道建立以前啟動安全性過程，安全性過程在低層協(xié)議進行。 藍牙系統(tǒng)采用流密碼方式對信息進行加密，適合硬件實現(xiàn)，密鑰由高層軟件管理。 在藍牙系統(tǒng)中認證是一個非常重要的部分 ,它采用 “詢問一應答 ”機制進行認 證。 主要技術指標和系統(tǒng)參數(shù) 藍牙 技 術 目前主要以滿足美國 FCC 的要求為目標，對具體國度的應用可能需要做一些適應性調整。藍牙規(guī)范 (Bluetooth Specification ) 所公布的主要技術指標和系統(tǒng)參數(shù) 1101 如表 所示 表 2 .1 藍牙主要技術指標和系統(tǒng)參數(shù) Main technical specification and system parameter of Bluetooth 技術指標與系統(tǒng)參數(shù) 說明 工作頻率 ISM 頻段： 2402MHz~2480MHz 雙工方式 全雙工， TDD 時分雙工 業(yè)務類型 支持電路交換和分組交換 數(shù)據(jù)速率 1Mbit/s 異步信道速率 非對稱連接： 721kb/s， ，對稱連接：同步信道 速率