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中正大學電信研究中心

藍芽課程與系統簡介

主講人：余松年博士

國立中正大學電機工程學系


Bluetooth藍芽通訊技術研習會

• 主辦單位 : 中正大學 3C產業應用教學資源中心中華民國自動化科技學會

• 協辦單位 : 中正大學自動化研究中心• 指導單位 : 教育部機電設計與整合科技教育改進計畫

推動辦公室

• 地點 :國立中正大學電算中心120階梯教室(圖書館一樓)

• 時間 : 90 年 9 月 10 日 ~ 90 年 9 月 13日• 參加對象 : 社會人士、教師、學生

(限定需有程式設計經驗者參加)


九十年九月十日(星期一)時間課程主講人

08:50-09:20

報到

09:20-09:30

開幕羅仁權校長中正大學

09:30-10:50

藍芽課程與系統簡介余松年教授中正大學電機

系10:50-11:10

休息

11:10-12:30

藍芽課程與系統簡介余松年教授中正大學電機

系12:30-13:30

午餐

13:30-14:50

藍芽基頻與鏈路管理協定系統

葉經緯教授中正大學電機系

14:50-15:10

休息

15:10-16:30

藍芽基頻與鏈路管理協定系統

葉經緯教授中正大學電機系


九十年九月十一日(星期二)時間課程主講人

09:00-09:30 報到

09:30-10:50 藍芽射頻系統張盛富教授中正大學電機系

10:50-11:10 休息

11:10-12:30 藍芽射頻系統張盛富教授中正大學電機系

12:30-13:30 午餐

13:30-14:50 L2CAP 溫志宏教授中正大學電機系

14:50-15:10 休息

15:10-16:30 L2CAP 溫志宏教授中正大學電機系


九十年九月十二日(星期三)時間課程主講人

09:00-09:30

報到

09:30-10:50

HCI USB/RS232/Transport

黃國勝教授中正大學電機系

10:50-11:10

休息

11:10-12:30

HCI USB/RS232/Transport

黃國勝教授中正大學電機系

12:30-13:30

午餐

13:30-14:50

藍芽Host Controller介面劉立頌教授中正大學電機系

14:50-15:10

休息

15:10-16:30

藍芽Host Controller介面劉立頌教授中正大學電機系


九十年九月十三日(星期四)時間課程主講人

09:00-09:30 報到

09:30-10:50 服務搜尋協定侯廷昭教授中正大學電機系

10:50-11:10 休息

11:10-12:30 服務搜尋協定侯廷昭教授中正大學電機系

12:30-13:30 午餐

13:30-14:50 RFCOMM with TS 07.10 吳承崧教授中正大學電機系

14:50-15:10 休息

15:10-16:30 RFCOMM with TS 07.10 吳承崧教授中正大學電機系


藍芽(Bluetooth)系統簡介


Outline

• Bluetooth的制訂與發展

• Bluetooth的特徵

• Bluetooth與其他無線通訊協定的比較

• Bluetooth 的優勢

• Bluetooth 的系統架構

• Bluetooth 的現在與未來


Bluetooth的訂定與發展• 1994年手機大廠 Ericsson 與 Nokia ,自行研發短距離無線射頻連接技術，以便於手機和其他可攜帶式裝置互傳訊息。

• 1998 年 Ericsson, Nokia, Intel, Toshiba, IBM組成一個SIG小組( Special Interest Group；特殊利益 / 共同推廣團體) ，一起推動此短距離無線射頻連接技術，並命名為 Bluetooth。

• 1999 年 12 月又有 Lucent, 3 Com, Motorola,Micsoft四家加入。

• 目前已超過 2800 家廠商加入會員。(2001/9/3)


Blurtooth的發表和修訂

• Bluetooth於1999年5月正式發表，同年在德國漢諾威CeBIT電腦展中大放異彩

• 1999年8月由Bluetooth SIG公布1.0版的規範。

• 2001年2月公布1.1版的規範。


Bluetooth在台灣的發展

• 台灣於1999年4月成立無線通訊聯盟推動藍芽產品的開發

• 成員包括宏碁、英業達、廣達、仁寶、華碩、明碁、致伸、神通、華邦、羅技、工研院電通所及資策會等。


Bluetooth SIG 成員

• The total number of members of BluetoothSIG is currently:

1. Promoter Companies: 9 2. Associate Companies: 187 3. Version 1.2 Early Adopter Companies: 1300 4. Version 1.0 Early Adopter Companies: 1340

2001.9.3 from http://www.bluetooth.org/


Bluetooth名稱的由來

• 丹麥國王 Harald Blaatand Bluetooth 二世致力於協調丹麥與挪威兩國能和平溝通

• Bluetooth

成為短距離無線電傳輸的標準之名詞!


Bluetooth的特徵

• 符合全球都能運作的標準。• 無線通訊、短距離、低功率、低成本

• 支援語音及多媒體資料。• 無線電發收器輕薄短小且能在低功率下工作

– 行動電話

– 個人數位助理（PDA）


•頻率：2.4 GHz頻帶（ISM頻帶）

ISM – Industrial, Science, Medical

全球通用頻段

不必申請執照就可以使用

•傳輸距離：3 個等級

等級1 – 10 m

等級2 – 25 m

等級3 – 100 m


•消耗電力 (2.7 V)

最大 30 mA（資料傳送時）

小於 0.3 mA（待機時）

•傳輸速度：

1 Mbps（理論值）

433.9 Mbps（實際值；雙向等速）

下傳 723.2 kbps，上傳 57.6 kbps


•調變技術：

跳頻式展頻通訊技術（FHSS）1600次/秒

•同時提供語音和資料通訊功能：

最多可提供7個資料通訊頻道/Piconet

最多可提供3個同時同步的語音通訊頻道

64 Kbps CVSD voice encode

CVSD:Continuous Variable Slope Delta-Modulation （連續可調變三角波編碼）


•晶片大小：

0.5 square inches

•保密功能：

Yes, 連結層（link layer ）

•防止干擾：

採用快速跳頻方式防止干擾 (1600次/秒)


Bluetooth的網路連結方式：1. Piconet

Laptop

Printer

Mouse

PDA

Keyboard

Scanner

CellularPhone

Master

Slave

Slave

Slave

Slave

Slave

Slave

Slave

Video

• 1個Master，最多7個Slave裝置

•點對點或點對多點之傳輸能力

•某一Piconet的Master可以

是其他 Piconet的 Slave


2. Scatternets

•兩個以上Piconets可形成Scatternet

•不同Piconet 可以分享同一裝置

• Scatternet 的 Piconet組成最多可達256個

Laptop Computer

PrinterModem

ScannerMouse

Mouse

MasterMaster

Slave

SlaveSlave

Slave

SlaveSlave

Video


Bluetooth的應用領域 1/3

• 纜線取代

(Cable Replacement)

– 以無線傳輸取代

纏人的纜線。


Bluetooth的應用領域 2/3

• 個人特別設置的網路

(Personal Ad-Hoc Network)

– 藍芽裝置彼此間可形成一網路通訊傳輸環境。

– 可共享網路內其他設備上的檔案或網路資源。


Bluetooth的應用領域 3/3• 語音/數據接取設備

(Voice/Data Access Point)

– 以無線方式進行數據與影音的及時傳輸，達到無線上網、傳輸等目的。


Bluetooth技術的定位

• 短距離無線通訊技術

• 其他短距離無線通訊技術

1. IrDA

2. IEEE802.11b

3. HomeRF (SWAP, HomeRF)

4. 仍在討論的規格：– IEEE802.15

– Wireless 1394


各種短距離無線通訊技術比較

項目藍芽 IEEE802.11 Home RF IrDA

每秒傳送速度 1Mbits 2Mbits 0.8Mbits 4Mbits

使用頻率 2.4GHz 2.4GHz 2.4GHz 紅外線

模組成本目標5USD 目標25USD 1.5-2.5USD

最常傳輸距離10M（1mW）

100M（100mW）100M 50M 3.8M

最大消費電力送訊時30mA待機時0.3mA

1W 數mA

保護方式標準（驗證）標準（暗號）無

資料來源：Nikkei Electronics

傳輸量較低的產品商用市場家庭市場家庭市場


比較項目藍芽 IEEE802.11b ver. 1.0 IrDA

傳輸距離 10公尺(1mW) ; 100公尺(100mW) 30 3.8公尺

接取角度無限制無限制有限制

傳輸方式使用2.4GHz無線電頻道 2.4GHz 850~900nm的紅外光傳輸

傳輸速率 1 Mbps 2-11 Mbps 最快可達16 Mbps

模組體積大最大遠小於Bluetooth

功率消秏傳輸時30mA ; 待機時0.3mA 最大到1000 mA 僅需0.2~0.3mA

網路協定可構成網路可構成網路無法真正構成網路

移動性佳佳不佳

屏蔽不受屏蔽干擾不受屏蔽干擾有方向性，受屏蔽干擾

電磁波干擾

受干擾受干擾不易受其他電磁波的干擾

應用市場傳輸量較低的產品商用市場家庭市場

聲音資料頻道

有無無

Cost($) 25-5 （目標5USD ）很高 2-3

各種短距離無線通訊技術比較 2


Bluetooth與其他無線通訊協定比較

• 與紅外線傳輸(IrDA)比較:– Bluetooth克服了紅外線傳輸在距離以及可連接裝置數的限制。

– 具有穿透性，克服地形地物的影響。– 無方向性限制。

• 與IEEE 802.11比較:– IEEE 802.11具有訊號距離長、容納裝置數量多、傳輸速度更快的優點。

– 但IEEE 802.11專為電腦設計，不像藍芽具有跨越各種使用領域的優勢。

– 藍芽晶片價格比IEEE 802.11的裝置價格低上許多倍。


可應用 Bluetooth技術的產品

電視、遊樂器、錄放影機音

響、冰箱、微波爐等

家電產品

無線監視器、無線讀卡機、

無線送信機等

保全

工廠生產監視系統工業

監視照護機、無線量測設備等醫療設備

企業內部網路、家庭網路語音數據接取

桌上型電腦、印表機、

傳真設備、鍵盤、滑鼠及投影機等

桌上型電腦與周邊設備

手機、筆記型電腦、PDA、數位相機、耳機等

可攜式/手提式產品

對應產品應用領域


Bluetooth 的優勢

1. 國際大廠的支持

2. 成本的優勢

3. 具備極佳的全球共通性

4. 較佳的保密性


國際大廠的支持表一 B l u e t o o t h S I G 代表性成員（按產業別分類）

半導體電信電腦與周邊消費性電子網路汽車和其他

Fuj i t suH e w l e t t -P a c k a r dH i t a c h i S e m iI B MIn te lLSI Log icM itsubish iM o t o r o l aN E CPhi l sa rP r a i r i e C o m mP h i l i p sS a m s u n gS i l i c o n W a v eT IT o s h i b a… E t c .

A l c a t e lA T & T W i r e l e s sBr i t i sh Te lecomD a e w o oT e l e c o mEr icssonF r a n c e T e l e c o mH i t a c h iL G T e l e c o mM o t o r o l aN o k i aN T T D o K o M oT a i w a n T e l c o mS y m b i a nS p r i n t P C SQ u a l c o m m

A c e rC a n o nC o m p a qD e l l C o m p u t e rG a t e w a y 2 0 0H i t a c h iI B MN C RN E CPa lmR i c o hS e i k o E p s o n

C a n o nCas ioFu j i Pho toH i t a c h iL G E l e c t r o n i c sN o k i aP h i l i p sR a d i o S h a c kS a m s u n gS a n y oS h a r pS o n yT o s h i b a

3 C o mB r o a d c o mHar r i sH i t a c h iIn t e lL u c e n tN o r t e lN e t w o r k sS i e m e n s A GX i r c o m

B M WBri t i sh A i rwaysF e d e r a lE x p r e s sFo rdHar r i sS a a bTek t ron ixT h o m s o nT o k y o G a s C o .V o l v o

資料來源： Blue too th S IG， 2 0 0 0 年 1 月


0

5

10

15

20

25

30

Radio Module Baseband

Single Chip Total

Radio Module 14 11.26 7.56 5.59 4.31 3.49 3

Baseband 12.75 9.78 5.73 4.07 2.97 2.26 1.89

Single Chip 9.66 6.55 5.17 4.41

Total 26.75 21.04 13.29 9.66 7.28 5.75 4.89

1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005

Bluetooth晶片的價格趨勢


極佳的全球共通性

• Bluetooth 所採用的頻帶為2.4GHz，是全球共用的頻帶 (ISM)

• 各國無線通信管理單位要求，將可利用的頻率標準化（歐、美、日）

– 例如日本，即從原本的2.471GHz∼2.497GHz（26MHz頻寬）調整為與歐美相同的2.400GHz∼2.835GHz（83.5MHz頻寬）


較佳的保密性

• Bluetooth 擁有嚴格的加密措施– 個人密碼

– 設備及主機也都有加密

– 在鏈結層加密


Bluetooth 的系統架構

• 完整的藍芽系統架構分為1. Radio & Baseband

2. Link Manager & L2CAP

3. Host Controller Interface (HCI)

4. Application Framework & Support

等四個層次類別

• 包括硬體的晶片組與軟體管理部份。


藍芽通訊協定藍芽通訊協定架構圖


Bluetooth Radio• 使用頻段:採用2.400∼2.4835GHz之ISM Band。

• 頻段分成: 79 Channels (1MHz/Channel ) 。

• 進接技術: TDMA /TDD(625ìs /slot) 。

• 調變技術: GFSK( Gaussian Frequency Shift Keying) 。

• 展頻技術: FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum),

1600 hop/s 。

• 傳輸距離: 0dBm(1mW)時約為10公尺、

20dBm(100mW)則提供至少50至100公尺。

• 射頻模組:射頻收發器、快閃記憶體、電源管理器、

內部時脈等。


Baseband

• 微網路(Piconet)

– 兩個以上的Bluetooth裝置共享一個通道。

– 最多可由七個Bluetooth裝置組成。

– 需有一個裝置當作Master,掌管控制Piconet中的傳輸量，其餘的單體則當作Slave 。

• 實體鏈路(Physical Link)

– 同步連結導向(Synchronous Connection-Oriented，SCO)鏈路。

– 非同步非連結(Asynchronous Connectionless，ACL)鏈路。


LMP (Link Manage Protocol)

• 提供功能

– 負責Baseband Connections的設定及管理。

– 包括 : Authentication、Pairing、Change Link Key、Encryption、Switch of Master-Slave Role、Detach、Hold Mode、Sniff Mode、Park Mode、Power Control、SCO Link。

• 通常以Firmware的型態存放在Baseband Module硬體中。


藍芽模組的硬體架構


藍芽的硬體部分

• 射頻（RF）主要負責頻率合成、資料轉換及雜訊過濾

• 基頻則負責訊息編碼以及加解譯編碼、跳頻及封包處理

• 連結管理則負責連線建立、釋放以及管理


• 在其他硬體的部分，藍芽零組件包括天線及濾波器，石英震盪器、數位訊號處理器及快閃記憶體等

• 以射頻及基頻晶片的成本最高，數位訊號處理器其次，三者合計佔藍芽成本的70%以上


藍芽價格走勢預估單位：美元

1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005

基頻晶片 14 11.26 7.56 5.59 4.31 3.49 3

射頻模組 12.75 9.78 5.73 4.07 2.97 3.26 1.89

合計 26.75 21.04 13.29 9.66 7.28 5.75 4.89

單晶片Solution - - - - 6.55 5.17 4.41

資料來源：Cahners In-stat


HCI (Host Controller Interface)

•主要功能

– 界定Bluetooth裝置與Host 設備之間連結介面的控制指令。

•包括HCI Driver與 HCI Firmware二大部份

– 透過RS232 或USB 介面來溝通。– HCI Driver 負責與HCI Firmware 溝通,作資料與訊息的傳遞。

– HCI Firmware 直接Implement在硬體上與LMP，Baseband息息相關。


L2CAP (Logical Link Control and Adaptation Protocol)

•主要功能

– Protocols Multiplexing、Segmentation and Reassembly、通道特性協商機制及建立Group的能力。

•提供兩種Data Services

– Connection-Oriented 及Connectionless 。


SDP(Service Discovery Protocol)

•主要功能

– 搜尋目前所在Piconet有哪一些可用的Service 資訊。

•分為SDP Server與SDP Client 兩種

– SDP Server: 儲存Piconet上所有Service的資訊。

– SDP Client :搜尋SDP Server的Service 。


TCS (Telephony Control Protocol)

•主要功能– Call Cntrol(CC)、Group Management(GM)與

ConnectionLessTCS (CL)三部分。

§ CC主要是利用訊息傳遞方式來達到通話建立與清除程序。

§ GM提供幾種程序以管理在group中的機器，如Obtain access rights、Configuration distribution、Fast inter -member access等。

§ CL提供不屬於通話進行時的Signaling資訊交換：例如Audio的控制。


RFCOMM Protocol

• 主要功能

– 模擬序列埠(Serial Port)的功能。

– 在兩台Bluetooth Devices之間RFCOMM最多可以支援到60個Serial Connection。

– RFCOMM主要是將上層不同的Application所送下來的資料，利用它的多工機制在同一條 L2CAP Channel中傳送。


依應用類別規範的13種 Profile 摘要表

使用資料同步操作機能的機器用。Synchronization Profile

採檔案轉送機能的機器用。File Transfer Profile

使用Object Push機能的機器用。Object Push Profile

採Object交換程序方式的機器用。Generic Object Exchange Profile第4類

與IrDA相通

與採用LAN方式連接的機器用。LAN Access Profile

與Facsimile連接用。Fax Profile

對以Dial-Up方式相通的產品如Modem等用。Dial-Up Networking Profile

對以無線頭戴式通話器通信的產品相通用。Headset Profile

對有Serial Port的機器通信用，如PC間。Serial Port Profile

第3類

與現有機器通信

將行動電話，以館內通信方式( Intercom )相通。Intercom Profile

將行動電話，以Cordless電話機方式，經由具Bluetooth 規格的室內電話機相通。

Cordless Telephony Profile第2類

電話方式通信

從本身機器出發，驗証有效距離內，可相通的各種具Bluetooth 規格的機器設備。

Service Discovery Application Profile

接通時，辨認機器的程序、或確認Security 的程序等。

Generic Access Profile第1類

通信基本程序確認、檢測等動作

用途摘要各Profile名稱分類

參考資料NIKKEI ELECTRONICS 與Widcomm


LAN Access Profile 應用

Data Terminal C

LAN Accss Point

Data Terminal B

Data Terminal A

Internet


Cordless Phone/Intercom Profile 應用

Gateway

CellularPhone

Telephone

PSTN


FAX Profile 應用

LaptopModem

Base station

Internet

CellularPhone


Bluetooth的現在與未來電話三機一體

�藍芽電話在家形同無線手機﹝電話付款﹞，外出時當行動電話﹝大哥大付費﹞，當接近到另一藍芽電話傳輸範圍，變成免付費的對講機。


無線、有線網際自動橋接

�不管藉由無線手機上網亦或經由線纜﹝譬如PSTN, ISDN, LAN,xDSL﹞上網，無論身在何處，可捧提電腦漫遊網際。


無線交換電子名片、視訊

�在面談和會議時，可選定對象、選擇檔案文件瞬間傳遞或交換電子名片，酷的是不用一根電線、一張紙頭，徹底地顛覆傳統。


無線耳機、免按鍵

�兩隻手不夠用時﹝譬如駕駛中、用筆時﹞，無線耳話機組就可大派用場。語音輸入(voicexml)選單。


多工自動檔案同步更新

�自動謄新你的藍芽電腦、筆記電腦、PC-PDA以及行動電話內部資料。例如，當你把地址、行程表輸入PDA，電腦的地址表、行程表自動謄新，反之亦然。


參考資料

�http://www.bluetooth.com/

�http://www.ericsson.com/bluetooth/

�http://www.chinasec.com.tw/research/m200/special/blue.htm

�http://www.goldensec.com.tw/docs.old/RD/e5/05/03.htm

�http://w-band.tripod.com/

�Bluetooth，李于青譯，博誌文化，2001.8

�Bluetooth: connect without cables, Bray-J & Sturman-CF, Prentice Hall, 2001 （全華）

�Bluetooth demystified, Muller-NJ, MacGraw Hill, 2001 （全華）

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