蓝牙关键技术与智能家居分析

1 概述

伴随着数字化和网络化的进程，智能化浪潮席卷了世界的每一个角落，成为势不可挡的历史大趋势，其中正在兴起的智能家居建设热潮，就是在这种形势下应运而生的。

但是现代家庭中，弱电线缆越来越多，如电话线、有线电视线、宽带网络线、防盗报警信号线 等，带来线缆多、乱的麻烦，因此，家庭弱电系统需要进行统一、规范的管理。然而，传统家庭布线方式因为施工不规范、维护和使用方便等因素，已不能适应当前 家庭装修的需要，更无法满足未来智能家居生活的更高要求。蓝牙技术的出现，正发解决了这个问题，使智能家居中的无线控制成为可能。

2 蓝牙技术

2.1 蓝牙简介

蓝牙技术是Ericsson移动通信公司在1994年开始启动的，其目的是实现最高数据传输速率1Mb/s（有效传输速率为721kb/s）、最大传输距离为10m的无线通信。

"蓝牙（Bluetooth）是一个开放性的、短距离无线通信技术标准，也是目前国际上最 新的一种公开的无线通信技术规范。它可以在较小的范围内，通过无线连接的方式、安全、低成本、低功耗的网络互联，使得近距离内各种通信设备能够实现无缝资 源共享，也可以实现在各种数字设备之间的语音和数据通信。由于蓝牙技术可以方便地嵌入到单一的CMOS芯片中，因此，特别选用于小型的移动通信设备，使设 备去掉了连接电缆的不便，通过无线建立通信。

蓝牙技术工作在全球通用的2.4GHz ISM频段。从理论上讲，以2.4GHz ISM频段运行的技术能使用距30m以内的设备互相连接，但实际上很难达到。现阶段，蓝牙的发射范围可达10m，可以同时实现8台设备的相互联通。当检测 到距离小于10m时，接收设备可动态地调节功能；当业务量减小或停止时，蓝牙设备即可进入低功耗工作模式。

2.2 蓝牙中的关键技术

2.2.1 跳频技术

蓝牙工作的频段是全球通用的2.4GHz ISM频段。该频段对所有无线电系统都开放，因此，蓝牙在使用过程中经常会遇到不可预测的干扰源，例如手机、无绳电话、微波炉等。这使得蓝牙系统的传送错误率远远高于实际应用水平，为此，采用跳频技术是避免干扰的一项有效措施。

所谓跳频技术，就是将整个频带分成若干跳频信道（Hop Channel）。在一次连接中，蓝牙芯片所控制的收发器按照一定的码序列，不断地从一个信道跳转到另一个信道；而接收方也是按照相同的跳转规律进行通 信。这实际上属于一种硬件加密手段，除非第三方掌握了接收双方的切换信道干什么，否则，从理论上计野外法完整获得信息的，而干扰源也是不可能按同样的规律 进行干扰的。跳频的瞬时带宽很窄，但通过扩展频谱技术，可以使这个窄带宽被成倍地扩展成宽频带，使被干扰的可能性变得很小，由此就可以保证传送的完整性和 系统的稳定性。

2.2.2 纠错技术

在蓝牙技术中使用了三种纠错方案：1/3比例前向纠错码（1/3FEC）、2/3比例前向纠错码（2/3FEC）和用于数据的自动请求重发（ARQ）方式。

1/3比例前向纠错码是一种较简单的纠错码方式，属于重复码，实现时对每位信息重复三次。2/3比例前向纠错码是一种（15，10）精简的汉明码表示方法，用于部分分组。

使用ARQ方式，在一个时隙中传送的数据必须在下一个时隙得到确认（或超时）信息。只有数据在接收端通过了报头错误检测和循环冗余检测，被认为无错后，才向发送端反回确认信息；否则，返回一个错误信息。

2.2.3 微微网

蓝牙支持点对点和点对多点的通信，其最基本的网络组成是微微网。微微网是通过蓝牙技术连接 起来的一种微型网络，由一个主设备（Master）和若干个从设备（Slave）组成，且从设备最多为7台。主设备负责通信协议的动作，而从设备则受控于 主设备。一个微微网可以是2台相连的设备，也可以是8台连在一起的设备，所有设备单元均采用同一跳频序列。主从设备的拓扑结构如图1所示。
蓝牙给每个微微网都提供了特定的跳转模式，因此，它允许大量的微微网同时存在。同一区域内，多个微微网互联形成了分散网。不同的微微网信道有不同的主单元，因而存在不同的跳转模式。

2.2.4 安全性

蓝牙技术的无线传输特性使它非常容易受到攻击，因此，安全机制在蓝牙技术中显得尤为重要。 虽然蓝牙系统所采用的跳频技术已经提供了一定的安全保障，但蓝牙技术仍然需要在应用层和链路层上提供安全措施。该措施将用于对等环境，即蓝牙系统每个单元 中设备的匹配和加密规则都将以同样的方法实现。在链路层，蓝牙的使用四个参数来保证系统的安全性：每个用户唯一的48位地址、用户的128位验证密钥、用 户的8～128位加密密钥、设备产生的一个128位随机数RAND。

蓝牙的低层安全是通过基带和链路管理中的鉴权、匹配和加密完成的。

鉴权基于"竞争-应答"算法，是蓝牙系统中的关键部分，它允许用户为个人的蓝牙设备建立一 个信任域。校验器发送一个LMP-au-rand PDU分组给请求者，该PDU（协议数据单元）分组含有一个随机数。请求者根据获取的分组计算出应答值，然后将应发回给校验器，验证应答值是否正确。

当两台设备无共用链接字时，则基于个人识别码PIN和随机数创建初始化字Kinit，这一过程为匹配。Kinit字在校验器向请求者发出LMP-in-rand时创建，然后进行鉴权，共计算过程基于Kinit字，而不是链接字。通过鉴权后，链接字即被创建。

加密被用来保护连接中的个人信息，密钥由程序的高层来管理。网络传送协议和应用程序，可以为用户提供一个较强的安全机制，需要注意的是，加密字节全不同于鉴权字。鉴权字具有静态性，而一旦建立加密字，就由运行在蓝牙设备上的具体应用，来决定什么时候和是否需要修改加密字。