蓝牙的频率范围及应用

蓝牙^［66］是一种为打印机，掌上电脑和手机等小型设备互联而开发的无线通信标准。该标准最早由爱立信公司在1994年提出，后来一些公司如诺基亚、IBM、英特尔和东芝也加入其中进行研究，在1998年形成了后来众所周知的蓝牙特别兴趣小组（Bluetooth SIG）。现在，大约有200个公司成为了该组织的一员，进行与蓝牙相关产品的开发。

蓝牙是21世纪定义和规范最全面的技术之一，它的名称的起源最早可以追溯到10世纪。隆德，一个充满活力的瑞典南部小镇，1994年在这里，瑞典手机巨头爱立信开始了蓝牙的革命。爱立信的早期研究所使用的设施都是依赖镇上的一所大学提供。

蓝牙的发现非常偶然。开始研究人员想将耳塞、耳机和手机通过无线的方式连接起来。后来为达到这些设备实现无线通信的目的，他们开发了一种小型芯片。蓝牙技术由此诞生了——一项开始只处于简单的实验阶段，现在蓝牙已经成为改变信息传输方式的领先技术。

蓝牙传输通过设备上的小型芯片实现，信号传输使用常用的短波无线信号。它建立了一种网络技术类型，即我们所知的“特定网络”（或称对等网络）。在这种对等网络中，所有接入的设备都是从节点或是主节点。这种被控和主控的形式即通常所说的piconet（微微网），它表示由一个主节点和一个或者多个从节点所连接成的网络。从节点能接入任意数量的piconet网络。但是，一个主节点只能属于一个piconet网络。这种网络拓扑结构也被称为分散式网络。每一个pi-conet网络有它的边界。在两个连接的piconet网络之间，至少有一个作为网桥的从节点。每一个piconet网络都有其特有的传输频率，正因为piconet网络使用其特有的传输频率进行传输，所以每一个piconet网络能被用来传输的跳频模式所惟一识别。特定piconet网络的主节点决定跳频模式的方式。接下来，我们将会介绍蓝牙无线传输系统的细节信息。

4.8.9.1 蓝牙无线传输系统

蓝牙无线传输系统式蓝牙中最重要的部分。下文列出的无线传输系统的规范被用于世界范围内所有使用蓝牙技术的设备，这个标准是蓝牙技术联盟所建立。

1.频谱范围

因为蓝牙使用无线通信模式，因此需要有支持的频段可以在世界范围内使用以及对公众开放。最终，蓝牙采用了未被使用的ISM（工业、科学、医疗）频段。这个频段的频率范围在美国是2.4～2.83GHz之间，在日本是2.4～2.5GHz。在世界不同地区对未管制的频段有不同的规定，但是这些频段都能确保公众自由的使用。

2.多址方案

多址方式有大量广泛的应用。如频分多址（FDMA）、时分多址（TDMA），以及码分多址（CDMA）。使用FDMA的缺点是实施时会被产生的冲突限制，从而影响数据传输。FDMA系统中的冲突是由于无法将频率分开造成。设计一个系统时，要求所有的设备对时间有相同的全局感。设想出现在一个给定区域内有大量设备的场景，要让所有设备都取相同的时间作为参考是不可能的。因此，在蓝牙系统中，跳频码分多址（FH-CDMA）方案被采用，其中FH表示快速跳频。这意味着在每一个传输时，都会从事先设定的一系列频率中选择一个不同的频率来进行。这有点类似于在频率之间“跳动”。使用FH-CDMA方式的优点是在任意的时刻，只有一小部分的带宽被使用，因此可以有效利用带宽以及避免干扰。

图4-67 FH/TDD通道示例

依照规范，在ISM频段中一共定义了79个可供“跳跃”的载频，它们彼此之间相差1MHz的频率。惟一的例外是法国和西班牙只定义了23个跳跃载频。信道有625μs的停留时间。伪随机码用来进行频率分配。特定Piconet网络中的主节点决定所使用伪随机码的序列，从节点根据主节点的识别信息来决定使用哪一个伪随机码。此外的一个特色是使用时分双工（TDD），这意味着对于一个节点，不管是主节点还是从节点，都能交替地发送和接收数据。这样可以有效地消除因为一个节点同时发送和接收数据所造成的冲突。图4-67用图例的方式描述了上文所解释的TDD的概念。

3.介质访问方法

蓝牙技术已经发展成为可以实现同一区域内发生的不对等通信。随着一种应用于通信信道新的调制方法的出现，信道总传输速率已经接近1Mbit/s。因为最多可使用79种载频，因此整个系统的总传输速率可达到79Mbit/s。但是，由于所使用的跳频间的非正交性（相互影响），实际可达到的数据传输速率少于79Mbit/s的理论值。

上文提到过，每个piconet网络有一个主节点和一个或者多个从节点。Pico-net信道通过主节点的识别和系统时钟来确定。任何想要连接到piconet网络上的单元必须与系统的时钟同步。从节点可以属于一个或者多个piconet网络。但是，为了维持通信信道的有效利用，连接到单个piconet网络上的从节点数量被限制在8个以下。每次piconet网络建立时，跳频序列已经被确定。任何节点都可以作为主节点，这是对等网络的本质特征。但默认是将任意建立起piconet网络的节点作为主节点。

主节点的作用是管理信道中的通信。每个信道的停留时间被限制为625μs，这个时间足够传输一个报文。当主节点想要向从节点传输数据时，所传输的数据中会包括从节点的地址信息。一旦从节点接收到这些信息，接下来主节点会轮询从节点是否有数据要发送。如果从节点有数据要返回给主节点，它会在紧跟主节点发送数据的下一个时间段发送数据。如果主节点没有任何数据要发送，它会轮询所有的从节点，去看是否这些从节点有数据需要发送。所有的这些工作会在一个时间段内完成。冲突的避免是通过采用不需要载波监听的ALOHA协议，也就是节点传输时不需要检测传输的报文是否与另一个报文冲突。

4.蓝牙物理层

蓝牙的物理层支持两种类型的链接：同步面向连接（SCO）和异步无连接（ACL）。SCO链路用来作为主从节点间点对点的链接，而ACL链路用于单主多从节点间的单点对多点的链接。

5.数据通信

蓝牙中的数据通信是基于报文。报文是将原始数据分组形成的小段数据。由于每个时间段的标准停留时间为625μs，因此在一个时间段内，只能发送一个报文。标准蓝牙报文的组成形式如图4-68所示。

图4-68 蓝牙报文格式

其中访问码包括特定piconet网络主节点的识别信息。当从节点收到一个报文时，它会将访问码与期望码进行校验。如果访问码匹配，那说明报文来自的主节点与从节点在同一个piconet网络中。相反如果不相同，报文就不会被收到报文的从节点接收。通过这种方式，能够阻止从节点接收那些不是发送给自己的报文。

报文头包括3位的从节点地址，1位自动重传请求（ARQ）方式下的ACK/NACK应答位，4位定义16种数据负荷的报文定义位，以及8位用于循环冗余检验方式的报头错误码（HEC），四种控制报文定义如下：

1）ID报文——只由访问码组成；

2）空报文——包括访问码和数据负荷信息，用来传输链接控制信息；

3）轮询报文——主节点用来查询从节点相关信息；

4）FHS报文——用于同步。

异步链路支持报文执行或者不执行2/3FEC技术，这种链路支持723.2kbit/s的数据传输速率。同步链路在全双工模式下支持64kbit/s的传输速率。前文提到过，节点会在传输和接收模式下选择性地切换，切换的时间差约为200μs。在这个时间段中，定义了数据负荷的可变范围，也允许对数据负荷进行处理。

6.调制方式

蓝牙采用高斯频移键控（FSK）调制，其中调制标称调制指数“k”等于0.3。二进制的“1”表示频率的正偏差，二进制“0”表示频率负偏差。采用这种调制方式的优点是能使用低成本的无线单元。

7.连接的建立

对等网络的重点之一是连接的建立。如何将节点间彼此连接起来？如何让一个网络中的节点彼此查找到对方？连接建立的过程就是要解决这些问题。蓝牙协议中定义了三种服务类型：扫描、广播、查询。

当一个蓝牙模块长时间处于空闲状态时，它会进入休眠模式。但在休眠模式中，模块会被周期性地唤醒一次，以检查是否有其他模块想要与它通信，这些通过滑差相关器校验基于识别信息的访问码来实现。操作窗口被设置为10ms检查一次，模块以不同的频率扫描以检查是否有任意频率下传输的访问码。模块会预先设定32个跳跃频率。这32个频率是惟一且互不相同，分布在60MHz到80MHz的频段内。分页单元以这32种频率中的16种来传输相同的访问码，时间间隔是1.25ms。在10ms的时间中，访问码以16种不同的频率被送出。如果单元没有接收到目标设备的任何响应，它会以另外16种频率继续发送访问码。这里已经假定分页设备知道目标设备的跳频和访问码。一旦目标设备被唤醒并且开始广播，它会通过发送它的访问码对分页单元进行应答。分页设备则会回送一个前面介绍的FHS报文，来同步自己与设备间的时钟。查询服务是被用于当分页设备不知道想要唤醒设备的访问码时。它会广播查询信息，则所有的节点会发送回它们的地址和时钟信息。通过这些信息，分页设备可以了解哪些单元是在自己的网络范围中以及它们的特性。一旦这些知道后，分页设备就可以向目标设备发送FHS报文。

8.错误码

蓝牙采用前向纠错（FEC）方式以及重传机制。蓝牙中所采用的两种不同的FEC是1/3编码率FEC编码和2/3编码率FEC编码。1/3FEC编码本质区别是使用3位重复码来进行纠错，而2/3FEC编码使用的是缩短后的汉明纠错码。为了实现重传，采用自动重传请求机制。当一个节点发现刚接收到的信息有误时，它会向发送方发送一个否定应答信号（ACK）。蓝牙中采用的这种重传机制和其他的ARQ机制的区别在于，NACK是在接收到数据后紧跟着的下一个时间段里被发送。

9.电源管理

当我们介绍电源管理时，要考虑两个主要的问题：信号传输时消耗的功率以及模块空闲时消耗的功率。通常，蓝牙方式下信号传输时消耗的功率为0dBm（分贝毫瓦，1dBm=1mW）。但是，功率也会高达至20dBm。使用能耗等级0dBm的优点是此时产生的干扰最小。当使用的功率等级为20dBm时，一项基于电源控制机制，被称作接收信号强度指示（RSSI）的技术就会被使用。这项技术使用时需要将接收信号的功率与测量到的干扰进行比较，通过补偿传输过程中的损失和衰减来实现。

当模块处于空闲状态时，需要确保它流过尽可能少的电流，只是足够满足扫描和监听信道中识别码。通常这种情况下，工作周期占空比低于1％。但是，在另一种被定义为PARK的状态下，占空比比空闲状态下的占空比还要低。在这种状态下，节点大约每126μs监听一次识别码和数据负荷。然而，要进入PARK状态，节点首先要接入一个piconet网络中。另外还定义了一种被称为SNIFF的状态。在这种状态下，从节点以最大的时间间隔扫描一次而不是在每一个主从周期内扫描一次。

10.安全性

蓝牙中传输数据被所采用的调制方式所保护：扩展扩频技术以及它非常小的传输范围（约为10m）。除此之外，也提供了其他一些安全特色，如验证和加密。蓝牙网络可以提供3种等级的安全性措施^［69］：

无安全保护：这种模式下没有验证和加密功能。

程序等级的安全措施：L2CAP信道建立后，能提供3种安全服务程序。这些程序可以用来限制对设备和服务的访问。

链路层安全措施：这种保护在LMP建立链接后提供。这项技术在一组设备间采用128位的密钥，当这些设备想要通信时，它们使用密钥来检查是否对方是否真的是所要通信的设备。

4.8.9.2 蓝牙协议栈

蓝牙协议栈中所使用的协议包括其他堆栈中使用的部分标准协议，以及专为蓝牙而开发的一些协议。图4-69描述了蓝牙协议栈，其中各种层的介绍如下：

无线连接（RF）层：这个层规定了接收方和传输方的特性以及无线模块的其他细节；

基带层：该层处理数据的分组和重组以及加密，也决定频率跳跃的方式。

图4-69 蓝牙协议栈

链路管理层（LMP）：如名字所暗示的那样，它是用来进行链路的管理。一些事件如信号滤波、链路上传输时序控制、电源管理都由LMP进行处理。

逻辑链路控制与适配协议（L2CAP）：该层负责进行分割和重组，以及更高等级协议层的多路传输。

服务发现协议（SDP）：该协议用来发现在相同环境下其他蓝牙设备所提供的服务，同时在需要的情况下，连接两台蓝牙设备，并且提供一些服务。

其他协议：蓝牙也提供一系列其他的协议，如RFCOMM、TCS、HTTP以及FTP。

在这些协议中，人们对SDP进行了大量的研究^［71］，因为它是蓝牙网络中非常重要的部分。蓝牙中的SDP使用全局惟一标识符（UUID），这是分配给设备的一个128位数字。蓝牙设备通过服务发现请求得到它想要服务的UUID。但是在一些情况下，仅仅只有UUID还不够。为了满足模糊的服务请求，除了服务请求之外，还需要特定的语法，以使在精确的服务没有找到时，可以找到一些与请求属性匹配的服务替代。无论应用在大的区域（如超市）或是小的领域（如手机）上，SDP都非常重要。随着模糊SDP技术的发展，出现了需要考虑蓝牙节点移动性的问题。

防止处于高速运动中的设备数据传输时出现数据丢失，Aman Kansal和Uday BDesai^［72］提出了一种解决方案。想象一个场景：一个带有蓝牙设备的人在超市中购物，想要在他的蓝牙设备中显示超市里特定商品的信息。同时，假设超市各个地方都安装有蓝牙设备的网络接入点。如果这个人坐在一辆小型golf车中快速移动，在一个时刻某个接入点可以向蓝牙设备中传输数据，而一旦他/她远离这个接入点后，设备就需要重新连接到最近的一个接入点。这个过程就是我们所说的“交接”。通常，用于蓝牙中的蜂窝IP支持移动连接。但是缺点是“交接”的过程需要5s左右。上文提到的作者开发了一种被称为毗邻传递协议（NHP）的技术，这种技术使用不断扫描寻找设备的“入口点”。一旦锁定一台设备，它会获取该设备的地址和时钟信息，然后将这些信息传递给最邻近的接入点。这个接入点会继续与设备通信。使用这种技术的优点是防止了交接过程中的数据损失，同时察觉连接丢失的过程变得更快。交接过程中的延迟减小到1.28s左右。因此，NHP的性能至少优于蓝牙PAC技术的4倍以上。而且，发现连接丢失的时间在最坏的情况下，只有大约50ms。因此采用这种新技术，在快速交接的保证下，蓝牙设备中的数据程序可以更好地运行，而不需要担心数据丢失。

再考虑另外一种情况。假设一个驾驶者开车经过一个相对陌生的地方。他/她想要获得这个地方内所有餐馆的信息。如果汽车配备了蓝牙设备，这个设备可以从最邻近的蓝牙接入站获得这些信息。一般认为汽车运行时，蓝牙接入站静止不动。但是，数据传输也有可能发生在两台运动的汽车中。一方不得不考虑一些因素，如信号衰减、信号丢失、多径和多普勒效应。一些实验来测试在静止设备不同范围的情况下，汽车中的蓝牙设备连接所花费的时间^［73］。第一种和第二种情况里网络的实验都是在户外自然情况下进行。第一种情况下网络的蓝牙标称使用范围是100m，第二种情况下为10m。表4-4给出了范围试验测试结果。

表4-4 蓝牙范围测试结果(www.xing528.com)

根据这些结果，可以重新计算出带蓝牙设备的汽车速度。结果见表4-5所示。

表4-5 汽车的重新计算速度

4.8.9.3 蓝牙基带模型

蓝牙基带模型是通信的核心。模块的功能随着应用的不同而有所不同。简单应用可以运行在基带处理器中，而复杂的应用要运行在主处理器中。因此，这个模块必须可以十分弹性地用于共享负载；它必须能够在任何时间接受任何负载。在设计一个单元的时候，必须把高效率地使用资源作为首要考虑的要素。我们现在已经发展了几种单元，但是它们需要的硬件资源实在太大，这点影响了这些单元的使用。所有的功能都在这个硬件块中实现而不是在微控制器里，这就导致了微控制器的浪费。因此，就产生了一个不那么高效率的单元。然而，为了提高单元的效率^［74］，就移植了很多功能给微控制器，同时硬件块只用于那些必须用这些硬件的功能。图4-70给出了单元的基本的框图。

图4-70 蓝牙基带模块

微控制器用来控制其他的单元和控制一些连接控制协议。基带单元被用来加密和解密比特流和控制RF模块。USB和UART模块用于主节点控制接口和物理层。音频CODEC（audio CODEC），就像其名字一样，用来音频的加密和解密并支持A-law和U-law方案。

4.8.9.4 汽车中的蓝牙

在现今的世界里，没有什么长久存在，汽车工业就是一个例子。汽车工业正在快速变成一个高端电子产品的饲养场。在这里，汽车的制造使用了最先进的电子技术来为消费者提供精细的特征。由于这个原因，制造商必须解决源于电子器件布线的问题，例如，网络、能量效率、重量、缩减空间和集成线路的困难。有很大一块汽车网络反应了这个明确的、功能化的和经济的瓶颈。高带宽网络用于汽车多媒体应用，这里成本是不关键的。可靠的、反应灵敏的网络才是那些诸如“传输控制”和“汽车动力”之类的实时应用控制的关键。蓝牙不仅用来控制这种应用，它还用与多媒体器件的网络。卖家已经预想了一种方案，在这种方案中，我们可以从PDA得到数据，还可以控制那些用于汽车中的多媒体的操作，通过一个有蓝牙功能的蜂窝式无线通信电话^［75］。用语音辨识的应用也可以加载到一些网上银行和网上购物的应用中。这个也可以使用蓝牙技术。因此，使用这个技术可以使得汽车能够作为一个移动办公室。之前已经提到，有很多应用可以用在汽车里。每个应用需要一个不同种类的专门用于这个应用的网络。原因是每个应用可能要不同的带宽、安全性、可靠性等。图4-71展示了车用网络的种类。

图4-71 需要网络的电子设备

网络种类的定义见表4-6。

表4-6 汽车中的各种网络种类

然而，随着无线技术的改进，汽车不再是互相孤立的系统，因为与车外世界的联系使能了一些新的应用。汽车能够利用各种不同的车外的通信网络，将之用于车内应用的通信服务中，这就引入了蓝牙的功能。对于移动环境（比如汽车）来说，现有网络的问题是有太多相关的网络，每个都有不同的数据传输速率和特性，以至于非常难集成不同的应用进入一个共同的网络。用了蓝牙，我们就可能集成不同的网络在一个蓝牙提供的骨干中。这就可以产生一些新的应用。比如，一个像汽车这样的移动环境就能够转化为一个移动办公室，在这里可以做一些办公室的工作，比如e-mail、文件传输等。或者一个小型剧场，这里一个车载迷你屏幕能够放正在广播的电影，只要触摸一下按钮板上的按钮，这个就像是一个无线远程控制。或者它还可以成为一些简单的应用，类似于开车时浏览因特网或者网上预订机票，可能性是非常巨大的。还有就是这个技术的效率。有这么多装置通过电波连接还有这么多的应用，有效率地使用带宽和安全性等问题就是亟待解决的了。在这个平台上必须要提到的是蓝牙一开始用于安全无保障的应用，例如，通信和信息娱乐应用或者一些事关交换纯粹的汽车特殊信息（电子装置的控制和状态数据）。在车里，蓝牙允许这样的无线连接：不同的汽车嵌入电子装置（例如控制板和耳机）和其他的汽车嵌入电子装置间的连接。但是，除了取代车内装置间的连线的作用外，蓝牙在汽车工业的使用还保证了无线装置（例如移动电话和PDA）和汽车嵌入装置（例如车载导航系统，车载无线电和汽车嵌入电话）间的互动能力。这里的主要原则是允许装置之间合作和共享资源，还有一个原则是通过移动设备随时接入汽车嵌入系统。这个要使用中央控制单元CCU的方法^［79］。除了控制不同的车载装置外，蓝牙可以用于车—车通信以及别的在汽车周围的同时可以使用蓝牙的装置间的通信。汽车和静止设备间的的数据交换为各种特殊应用方案提供了一个基础。这些特殊应用方案包括在指定的接入点接入交通信息或者电子商贸应用，或者为车上的电子系统下载软件。下面列举了一些在不久的将来蓝牙的应用^［77］。

1.任何时间提供信息

通过这种信息服务，使用者可以通过广播接收数据。这类服务最大的优点在是它们“永远在线”，也就是说，这种服务不会有“接入错误”。而且，数据传送带允许在任何时间开始接收信息。我们可以在一个很大的区域内也可以只在一个限定的区域内提供某一个特定的广播服务，这取决于其作用范围。用这种方式，我们就很容易根据行驶路线来作出调整。接收到的信息可以立刻被显示或者可以缓存起来供以后重拾。广播服务还可以包括本地天气预报、本地交通状况更新，或者广告，例如正在上映的电影的预告片。当然还有娱乐服务，例如播放电视节目（给后排的乘客）。

2.消息推出

消息推出和广播的主要区别是“推出”的服务必须征得使用者的同意。个人传真的通知，股票市场的报告，或者车上某软件的更新都是需要消息推出服务的应用。这种个性化的实现需要专门针对个人用户和设备的解决机制。

3.数据更新

如果我们要得到汽车系统中非即时的信息或是不会自动传输的信息，我们就需要建立一个双方向的无线连接。数据更新可能意味着宽带应用，比如，多媒体展示目的地外观的视频数据流。另外，导航系统请求得到路径信息。无线接入CD识别系统就是一个很方便的低带宽服务的例子。这个服务的功能是自动从因特网数据库下载一个CD的曲目标题。在大多数的应用中，数据更新都有不对称的特点。

4.明文接入因特网

“明文IP连接”可以使得汽车成为因特网的一部分。例如，商务人士需要能够使用移动办公应用程序，例如电子邮件，来连接他们公司的网络。

5.电话通信服务

目前的蜂窝系统电话通信服务（实时会话服务）也必须被集成，成为基于汽车的服务的一部分。电话通信服务将会不仅综合了常见的声音电话，还会有宽带交流服务，例如多媒体视频会议。我们已经对所有这些服务类型在非车用领域内耳熟能详了。然而，将它们用在汽车这样的环境中会需要一些特别的技巧。除了物理的通信设施的建设，这些服务还需要作出一些调整，使之适应汽车这样的环境。车用应用程序基本上都有变化很大的用户。例如，轮流的司机和不同的乘客，他们还使用不同的终端设备，特别是在公司车队和租赁汽车的时候。此时，服务还要考虑到用户的概况并且提供其各种存储和更新的可能性。更进一步，当我们执行一个服务的时候，特定的驾驶状况（速度、交通、时间和总体驾驶表现）也必须考虑在内。这些服务因此应该考虑到当前的环境。而且，对于服务提供商来说，定位是一个非常重要的因素。

6.汽车生产

在汽车生产系统中，流水线上的最后一步是下载大量软件。这是一个蓝牙已经投入使用的应用^［80］。一个蓝牙基站连接产品现场总线。当线上的汽车连接上了蓝牙基站，基站上传它的系列号。生产计算机就会通过基站的现场总线下载软件给基站，然后基站上传这些软件给汽车。然而，在这个应用中别的支持蓝牙的设备不可以连接到其中。

7.汽车诊断

可能用于汽车工业的第一个蓝牙技术就是为汽车诊断^［81］。这里，无需器件间电气意义上的连接，工厂就可以检测汽车设备并进行诊断试验。这种应用的软件还可以从任何可用蓝牙的站点下载到汽车里。

8.通行费付费

蓝牙可以加强已有的通行费自动付费方法，还有助于这类系统的广泛而又标准化地应用。当一个汽车已经包含了一个蓝牙应答装置的时候，我们所需要做的就是为这个系统软件更新，这个可以通过以上提及的方法来实现。当这个系统软件更新了之后，各种其他的应用程序也可以像停车计费系统那样运行起来。

9.加油站

在加油站中，我们可以想象这样一个有趣的蓝牙应用。在这里，汽车的样式，就像它的油箱容量和一些别的特征那样，可以被下载到一个智能附件中去。加油站接下来就可以将特定的参数（例如油压和胎压）传输给驾驶员，同时提供特定的建议。简单来说，它可以提供给驾驶员一些他需要用到的特殊的服务。

10.非安全关键控制系统

蓝牙可以用于控制网络，以提供各种非安全关键设备，如尾箱、座位移动、车门模块和雨传感器等等。另外，借助蓝牙技术，连接可移动接口的电缆可以被替换。这些接口包括了车盖、后备箱、车门、方向盘、车轮和车架。此外，像仪表板那些复杂的界面可以被淘汰，可定制的用户界面也将不是梦想。

11.车内通信

在车内会有一个主机设备，这个主机设备（例如导航系统）会对于驾驶员非常有帮助。汽车驾驶员喜欢带上他/她的移动设备并且将之连接上汽车网络。例如，PDA中可能存有一个商业合作伙伴的地址。将这个地址输入导航系统，系统就可以根据刚下载的天气和交通情况建议使用最短时间的行驶路线。同样的，声音系统和电影屏幕可以用于各种应用程序。

蓝牙技术用于车内网络有很多优势。这些优势事关电缆取代、无缝链接、移动性和设计事宜。

用了蓝牙技术之后，电缆能够被取代，这就能极大地减轻车的重量。这样，反过来，将导致一些诸如燃油经济性和排放等的因素的改进。

以前需要电线来互相连接的装置现在可以用无线连接来互相通信，不需要在它们之间架设电缆。而且，装置互相的连接不仅可以在同一个子系统中，还可以在属于同一辆车但是不同子系统的装置中。这个就提够了一个装置间的无缝链接。

使用者还可以将自己的移动设备加到汽车网络中去，这个技术将会给“移动性”的定义增加新的度量。当驾驶汽车的时候，蓝牙能够下载需要的信息，比如说最近的加油站或是最近的餐厅。这个对于行驶在不熟悉的道路上的人十分有用。

由于蓝牙是一个无线的通信系统，它就能十分简单地具有高弹性和可改进性^［82］。增加和去除节点的操作完全没有任何困难。

尽管蓝牙是一个多功能的极数，但是它也有它的局限。一些固有的缺点使得这项技术的应用变得有些困难。现在，我们将要考虑一些它的局限。

在一个基本上时时刻刻都有数据传输的环境里，私密性是首先要考虑的。在上面谈到的应用中，我们不妨举这样的一个例子：PDA通信和车载导航系统。PDA中的数据传输到一个汽车上的电子器件中去是做得到的。在这个场景中，几乎每一个人都可以得到数据。这个问题可以通过下面方法解决。如果任何蓝牙设备，在我们的例子中是PDA，有一个地址，这个地址就像电脑连接因特网中的IP地址一样，使用者就可以增加这个地址到需要的那个环境里，这样各个装置就知道它们在和一个合法的装置通信。

由于这个技术涉及很多电子设备，我们必须考虑操作环境的因素。装置都要受制于下列因素：各种机械振动、从-40～80℃变化的温度、溅落的汽油和水、潜在的误连线可能导致一些关键系统的短路、负载跃变、起动突变、电磁场和电压毛庛（voltage spike，尖状物）^［78］。这些电子系统必须能够容忍以上这些不友好的环境，因为这些系统的错误可能影响整个汽车子系统的表现。

我们知道在piconet中工作的装置最大数是8，在一个给定的环境中大概可以有10个piconet。这个对于目前的应用来说是好的，但是，这个数字将来必须增加。在任何情况下，即便在有这么多装置互相通信的环境中，一些装置（它们一开始是关闭的）的开启都可能触发他们自己的错误。

目前的数据传输速率仅仅够用于传输小数据文件。然而，随着交通的成长和数据文件的增大，我们必须制定一些条款应对诸如堵车控制、数据片段和大型数据转换位小些的数据块的数据重组的问题。

蓝牙技术有这么多的应用需要汽车工业的彻底大改动，因为我们必须从汽车制造这一环节开始就进行这种变化。这个就要涉及一大块财务方面的考虑了。这将使得汽车制造商产生怀疑。

目前蓝牙技术已经用于汽车中的非关键系统。然而，当这个情况发展后，蓝牙技术在汽车核心系统的应用将会有十分严重的后果，因为这个系统的任何错误都将导致人们失去生命。

足球场现象是当蓝牙汽车停在别的蓝牙汽车也正停的停车场里。如果蓝牙装置长时间保持非活跃状态，它会进入睡眠状态。然而，由于它周围环境有持续的刺激，蓝牙装置会一直被唤醒然后开始传输。这可能导致其广播机密数据，这一点是一个严重的故障。

总之，蓝牙技术正在变得和家庭电视系统一样普及。然而，它也是一项亟待改进的技术。即使在它应用的领域，蓝牙技术的应用也要通过严格和全面的汽车工业所认可的测试来保证它的安全。然而，随着目前蓝牙芯片的低成本，这个系统在汽车中的应用不会是一个很大的问题，而且消费者愿意为非常宝贵的应用而掏钱，蓝牙技术所提供的这种应用的能力将是非常让人兴奋的。但是使用寿命的问题依旧存在。汽车的平均使用寿命是10年，蓝牙装置的平均使用寿命只有几年，这将要求不断地更新装置。还要多久它才能变得有效呢？只有时间知道。

信息娱乐将会在未来的汽车电子系统中扮演重要角色。大型信息网络的接入将会加强汽车的可靠性，通过在板算法来诊断在板系统或是对于整个汽车的预检。将来对于汽车系统的预检可以通过增加现有的在板算法或者下载更多功能更强大的算法来实现。图4-72表示了汽车系统的互联的情况。必须指出的是：所有这些单元都有额外的微处理器和RAM存储器。

图4-72 ISA或混合动力车中的CAN总线通信

汽车上大量的电子控制器，每一个都有自己的RAM和微处理能力，使得我们可以考虑一个离散式的检测/预检系统来检测汽车电子系统的健康状态。已经有了这方面的应用，比如在大型高速RAM、ROM和EEPROM/FLASH存储器中，这些存储器用于从独立的功能化的控制单元到汽车控制器中广泛存在。尽管已经出现了物理上的分离，但是在明天的汽车上，功能化的接口将会和这些物理部件分离。例如，单元标签汽车系统控制器可能事实上不是一个物理单元，但是汽车系统控制器的功能将会存在于不同的连接在通信总线的各个单元中。这种高度互联和离散化的网络意味着离散的计算能力能够用来改进可靠性。

总之，汽车互联的趋势意味着车载超强计算处理能力可以用于那些可以从网络下载的应用上，例如暂时使得一些单元的应用增强透明性，还可用于诊断或预诊。为了充分使用这种能力，我们必须理解在网络单元中，什么类型的微处理器是可得到的和这些微处理器的能力（例如时钟频率和字长），以及每个离散的单元的可得到的存储器容量。目前，这些都不是简单事情，因为汽车制造者不愿意共享这些信息；即便他们愿意，这些单元都是由提供商设计，算法和代码都是由供货商拥有的，所以我们更不可能期望供货商共享这些信息了。然而，未来必然要求我们向这方面努力，因为汽车系统的复杂性，也因为对可以得到整车状态功能的需求。在引进电子引擎控制的几年内，所有的制造商们发展了他们自己的代码和自己定义了检测程序和各个单元的代码。这就意味着维修店要求有不同的针对每一种特定的汽车的测试工具的网络。标准化改变了这一状况。目前检测联盟（DTC）有一个标准的定义和诊断代码的工业标准，以至于单个新手测试者都可以链接到汽车电子系统并且判定有没有汽车制造商没考虑到的问题。