蓝牙技术的问题、前景与中国频谱管理策略的考

1 引言
    涉及无线连线及无线个人接入蓝牙技术的基本思想在上世纪80年代中期已萌发，但由于当时标准、技术及市场前景等诸多问题不明朗，未成气候；近些年来，由于移动通信及Ｉｎｔｅｒｎｅｔ的迅速发展，给蓝牙技术带来了新的商机与市场前景，从而激活了蓝牙技术的真正诞生。这首先应当归功于Ｅｒｉｃｓｓｏｎ的工程师面对有线连线“剪不断，理还乱”的困扰，1994年推出了解决无线连线问题的技术开发计划，从而产生了推进无线连线与个人接入的实在想法。1997年Ｅｒｉｃｓｓｏｎ邀请ＩＢＭ、Ｉｎｔｅｌ、ＮＯＫＩＡ及ＴＯＳＨＩＢＡ这5个世界著名的无线设备及计算机、半导体设备制造公司商议建立一种全球化的无线通信个人接入与无线连线新手段，后定名为“蓝牙”（Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ），并于1998年5月正式发起成立了“蓝牙特别兴趣组织”ＢＳＩＧ（Ｂｌｕｅｔｅｏｏｔｈ Ｓｐｅｃｉａｌ Ｉｎｔｅｒｅｓｔ Ｇｒｏｕｐ），简称蓝牙ＳＩＧ（亦有人称此为“国际蓝牙组织”、“蓝牙技术同盟”，甚至称之为“蓝牙特殊利益集团”）。进而于1999年11月美国4家著名公司Ｍｏｔｏｒｏｌａ、Ｌｕｃｅｎｔ、Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ及3Ｃｏｍ加盟于上述5公司，成为ＢＳＩＧ的9个发起成员，使蓝牙技术的发展获得了更强有力的支持，并显示出更明朗的前景。现在，ＢＳＩＧ的参加成员已达2491个，已论证通过的蓝牙产品亦达250个左右，其发展势头令人触目。由于其普及应用与普遍服务能力，蓝牙技术不仅局限于信息通信世界，甚至超越了3Ｃ（计算机、通信与消费）产业界，可遍及房地产等多种产业领域。从而，蓝牙这一名词几乎遍布全球每一角落、家喻户晓，大家均认为可能是一个值得投入、并可能获得未来丰厚回报的新技术领域。也许这就是未来蓝牙技术发展的重要市场基础。
    “Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ”此词据称源于欧洲中世纪（Ａ．Ｄ．900）丹麦国王哈拉德二世（Ｋｉｎｇ Ｈａｒａｌｄ Ｂｌａｔａｎｄ）的绰号“Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ”，他面对当时处于四分五裂的丹麦、瑞典、挪威、芬兰等北欧地区，建立了统一强大的丹麦王国，并将基督教引入了北欧地区，从而确立了为后人缅怀、颂扬的不朽功勋。由此，瑞典Ｅｒｉｃｓｓｏｎ公司领头用其来命名此重要的一种无线通信与连线新技术，也期望建立一种开放性的、全球统一标准，一统“无线世界”天下，将这种新技术进行最广泛普及的、全球性各行各业的普遍连接应用。
    在中国，亦往往称“蓝牙”为“蓝芽”，一是避免“蓝牙”这词在中文含义上的费解，二是表示以蓝色为象征的信息领域中一种重要的新技术的萌芽。但从“统一全球标准”之本意及与国际ＢＳＩＧ连接看，“蓝牙”（Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ）依然更为明确，从而运用“蓝牙”这一词者亦似乎为数更多些。两者在中国可视为同一含义。
    近代，通用无线接入作为先进手段实施接入网的全部或部分功能，它已成为有线接入的有效支持、补充与延伸，是快速、灵活装备与实现普遍服务的重要途径。无线接入目前虽然大部分为窄带，但中宽带与宽带（Ｗｉｄｅｂａｎｄ ａｎｄ Ｂｒｏａｄｂａｎｄ）无线接入，包括2.5Ｇ／3Ｇ移动接入、不对称ＩＰ接入及卫星接入已成为可能，而蓝牙技术可视为一种最接近用户的短距离、微功率、微微小区（Ｐｉｃｏ－ｃｅｌｌ）型无线接入手段，在构筑新世纪全球个人通信网络及无线连接世界方面将发挥其独特重要的作用。很明显，由于通用无线接入可综合包括宏大区、大区、小区、微小区、微微小区、移动、半移动（包括Ｎｏｍａｄｉｃ游牧式）、可搬移（Ｔｒａｎｓｐｏｒｔａｂｌｅ）及固定等多种接入覆盖模式，可有效覆盖三维物理空间的任何一角落及有效地在任何时候连接至任何个人用户，它对未来全球个人通信的实际连接覆盖的普遍化与重要性显而易见，而且无线接入与Ｉｎｔｅｒｎｅｔ联合运作的，所谓无线Ｉｎｔｅｒｎｅｔ／移动ＩＰ，以及更进一步以全球移动通信演进发展沿1Ｇ→2Ｇ→2Ｇ＋（2.5Ｇ、2.75Ｇ）→3Ｇ→3Ｇ＋→4Ｇ这一发展脉络中，将及时大量嵌入Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ之类新手段，进入所谓嵌入式（Ｅｍｂｅｄｄｅｄ）世界，实现以Ｐｉｃｏ－ｃｅｌｌ小区个人接入为中心展开的无线个人局域网络（ＷＰＡＮ）时代，这将成为未来全球个人通信世界中的最重要环节之一。因此，Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ技术的战略含义将不言而喻。
2 蓝牙系统基本参数及指标要求
    工作频段 ＩＳＭ频段2.402～2.480 ＧＨｚ
    双工方式 ＴＤＤ
    业务类别 同时支持电路交换及分组交换业务
    数据标称速率 1 Ｍｂｉｔ／ｓ
    异步信道速率 非对称连接721／57.6ｋｂｉｔ／ｓ
    对称连接432.6ｋｂｉｔ／ｓ(全双工模式)
    同步信道速率 64ｋｂｉｔ／ｓ(3个全双工信道)
    信道间隔 1ＭＨｚ
    信道数 79
    发射功率 美国ＦＣＣ要求＜0ｄＢｍ(1ｍＷ) 一些其他国家可扩展至20ｄＢｍ(100 ｍＷ)
    跳频频点数 79个频点／ＭＨｚ[2402＋ｋ(ＭＨｚ)， ｋ＝0，1，2……78]
    跳频速率 1600次／ｓ
    工作模式 Ａｃｔｉｖｅ／Ｓｎｉｆｆ／Ｈｏｌｄ／Ｐａｒｋ
    数据连接方式 面向连接业务ＳＣＯ、无连接业务ＡＣＬ
    纠错方式 1／3ＦＥＣ、2／3ＦＥＣ、ＡＲＱ
    鉴权 反应逻辑算术方式
    密钥 以8ｂｉｔｓ为单位增减，最长 128ｂｉｔｓ
    话音编码方式 ＣＶＳＤ
    发射距离 一般10ｃｍ～10ｍ，增加功率情况下可达100ｍ
    网络拓扑结构 Ａｄｈｏｃ结构、Ｐｉｃｏｎｅｔ及Ｓｃａｔｔｅｒｎｅｔ
3 蓝牙技术存在的问题与应用前景
3.1 存在问题
    (1)2.4ＧＨｚＩＳＭ频段使用的电磁兼容与频率共用问题
    由于2.4ＧＨｚ ＩＳＭ频段对所有工、科、医无线电设备全部开放，亦有不少其他短距离(微功率)无执照运行无线电设备，甚至像中国的情况还有相应已发放台站执照的ＳＳ(包括一些相关的ＷＬＡＮ)设备在同时工作。由此，微波炉(2.45ＧＨｚ,数千瓦至数百千瓦高功率运行)、家电、无绳电话、ＳＳ及ＷＬＡＮ系统和其他处于该频段的ＩＳＭ及无执照短距离运行的无线电设备均可能是其干扰源，需要小心处理其共存问题。即使来用高速自适应跳频技术，亦必须检验其实际共存的可靠性与可行性，以及管理规则的协调配合问题，为蓝牙的商用创造出尽可能现实可行的共存环境。为此积极参与ＩＥＥＥ802.15的共存问题的研究及取得实际有效的进展非常重要。
    (2)互操作与兼容性问题
    如上所述，由于蓝牙软件结构受限于广泛普及运用需要的约束，带来对蓝牙互操作能力与兼容性的负面影响，要特别小心其实际兼容性与互操作能力的检验与改进。
    (3)保密安全问题
    尽管蓝牙系统的保密安全机制已制定得较为严格，除跳频技术提供了一定安全保障外，还有用户个人标识、链路密钥论证和保密密钥加密之三重处理，但鉴于蓝牙系统的移动性、普遍性与无执照全面开放性，使得其安全保密问题显得尤为敏感与重要，而且很大程度上还决定于应用目标范畴。保密安全问题依然是其需要倍加小心考虑与处理的重要问题。
    (4)与其它相关技术的竞争问题
    重要的竞争对手如上所述，主要是与红外线接入、ＩＥＥＥ802.11系列及Ｈｏｍｅ ＲＦ系列技术速率、价位现实性与共存可靠性及可用性方面的竞争。蓝牙依然应加速努力，积极保持与发扬目前已持有的综合主导优势。
    (5)价格、可靠性等综合吸引力问题
    蓝牙要想取得大面积普及，必须有效地解决其芯片价格与实际运行可靠性问题。曾热心支持蓝牙技术发展的9位ＢＳＩＧ发起者之一的Ｍｉｃｒｏｓｏｆｔ公司，于2001年4月4日正式宣布放弃在新一代视窗Ｗｉｎｄｏｗｓ ＸＰ中引入蓝牙技术；固然，暂时放弃不等于永远不做，但这也多少反映出对目前水平的蓝牙产品的可靠性、兼容性及性能价格方面的不放心程度。
3.2 应用前景
    如上所述，蓝牙技术的终极目标就是要建立一种全球统一的无线连接(连线与接入)标准，使不同厂家生产的各种移动、便携设备和固定终端，在近距离内不用线缆即可自动彼此连接，实现互操作与资料共享。凡嵌入蓝牙模块的设备之间均能自动联络、识别与确认，利用相应的控制软件，不需用户作任何人工干预，即可自动建立连接与数据传送和交流共享。
    蓝牙的可能应用模式之广泛可能是目前所见到新技术应用中最触目者，几乎可渗透至全球各行各业。一些明显的重要应用模式如下。
    (1)一机多用电话模式
    可作蜂窝移动电话，内含ＷＡＰ／ＧＰＲＳ、多频、ＨＳＣＳＤ等兼容功能，同时可作不计费电话或公用接入普通电话等多种功能应用。一些已有产品如Ｅｒｉｃｓｓｏｎ Ｔ36ｍ／ｍｃ、Ｒ520ｍ手机，Ｎｏｋｉａ 9110、6210手机及Ａｌｃａｔｅｌ Ｏｎｅ Ｔｏｕｃｈ 700及500系列手机等均为实例。
    (2)头戴(盔)式耳机／听筒设备模式
    可作头戴、免提蜂窝电话、无线电话及个人微机的音频输入、输出接口设备，此时话音数据流可不经Ｌ2ＣＡＰ层而直接进入基带协议层，可直接收发处理ＡＴ集命令。
    (3)互联网网桥模式
    此时可由手机或无线Ｍｏｄｅｍ直接向ＰＣ提供拨号上网及传真等功能。
    (4)局域网访问模式
    此时，多功能数据终端(ＤＴ)可经ＬＡＮ访问点(ＬＡＰ)无线接入局域网。现今已有大量蓝牙嵌入的计算机及相关蓝牙接口和插卡。
    (5)文件传送模式
    可提供两ＤＴ间传送．ＸＬＳ、．ＰＰＴ、．ＷＡＶ、．ＪＰＧ和．ＤＯＣ等各种格式文件及完整活页夹、目录或多媒体数据流，并可提供远程浏览功能。
    (6)同步运行模式
    可提供各种设备与设备间的同步个人数据管理(ＰＩＭ)功能，各电话簿、日历、通知、记录及名片处理等。
    (7)数字影像模式
    可用兼容蓝牙技术的数码相机拍摄相片后，传送给其他数码相机以及移动电话终端，或台式机、便携机和ＰＤＡ等。
    (8)智能汽车系统模式
    通过车载音响实现免提电话及锁车、防盗、报警等各种汽车智能需求功能。此外，蓝牙2.0版技术规范的数据速率可达5.0Ｍｂｉｔ／ｓ左右，可作音效和视频传输的运用。
    (9)家庭信息网络模式
    家庭互联网虽可有多种技术标准与产品，然而最具代表性的两类产品技术标准即为ＨｏｍｅＲＦ及Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ。目前，ＨｏｍｅＲＦ可实施较高速率的家庭信息网络设备互联，而Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ则主要侧重便携移动计算设备、手持通信设备等家庭信息网络设备互联，并进而与Ｉｎｔｅｒｎｅｔ互联，实施无线双向传送。
    (10)流动办公与电子商务模式
    实现计算机与Ｉｎｔｅｒｎｅｔ、ＰＳＤＮ、ＩＳＤＮ、ＬＡＮ／ＭＡＮ／ＷＡＮ及ｘＤＳＬ等各种设备间互联工作，形成流动型办公室，并可实施电子付账、蓝牙宾馆电子登记及蓝牙餐厅点菜、付账等服务。
    如上所述，至今已有250种以上各种已认证通过的蓝牙产品，而这仅为蓝牙应用的起步。目前，一般蓝牙设备由2～3个芯片(9ｍｍ×9ｍｍ)组成，价格已可低达8美元／片，并逐步向5美元／片迈进；同时，2001年3月中旬，Ａｌｃａｔｅｌ公司已推出真正的蓝牙单片芯片，该芯片集成了收发蓝牙信号所需的ＲＦ收发电路、基带处理电路和微控制器以及收容固件的快闪ＥＥＰＲＯＭ，包括语音多媒体、数字信号编译码等。估计真正的蓝牙大规模较成熟应用需至2005年之后，此时蓝牙设备产量估计可达14亿件左右。而且对中国而言，那时的移动用户数、家电数、固定用户数，甚至Ｉｎｔｅｒｎｅｔ网户及上网手机量均可能居全球榜首。因此，中国的蓝牙应用市场潜力无疑最诱人，何况蓝牙的应用模式还远不止上述10种典型模式，甚至可以说，借助蓝牙技术真正可实现“手机电话遥控一切”，其他应用模式还可进一步被想象、开发与创造。其应用领域，不仅仅涉及通信、计算机和家电消费领域，还可涉足汽车、电力、房地产……各行各业。因此，蓝牙前景一片光明。
4 中国发展蓝牙技术的频谱管理等有关策略考虑
4.1 ＩＳＭ频段问题
    鉴于蓝牙技术应用目标的广泛性，如上所述，首选此2.4ＧＨｚＩＳＭ频段进行无执照运行，看来是相对最可行的途径。目前蓝牙的最高运行速率为1Ｍｂｉｔ／ｓ标称速率，随着进一步扩展至视频多媒体业务连接的运行，还需更高的速率与可进行更宽频带操作的频段；5.8ＧＨｚ之类更高的ＩＳＭ频段为其可能的进一步考虑对象。根据ＩＴＵ ＲＲ(无线电规则)确定的ＩＳＭ各类使用频段见表1。

    对这些ＩＳＭ频段的电磁兼容性：要注意其相应频段内有执照的ＳＳ之类业务、ＷＬＡＮ业务，甚至高效率高功率谱密度无线接入运行业务，以及无执照ＩＳＭ、ＳＳ及Ｕ－ＮＩＩ业务等彼此兼容共存的电磁兼容分析与频率规划考虑。
4.2 2.4ＧＨｚ频段蓝牙发展的电磁兼容性能测试调查与建议
    信息产业部无线电管理局结合多次与国际ＢＳＩＧ相关负责人和成员的研讨与商谈基础上，于2001年4月23日在北京组织召开了一次涉及蓝牙产品在2.4ＧＨｚ频段的“电磁兼容共用测试方案讨论会”，与会代表一致认为蓝牙技术日益成熟、应用丰富，并有形成高密度应用的发展趋势。虽然蓝牙产品的使用目标与使用方式决定了其用户不可能到无线电管理部门办理电台执照，但也应保证用户使用蓝牙产品时能获得基本的可用性与使用要求。因此，共用测试中不仅要测试蓝牙产品对已有业务的干扰情况，还要测试现有业务对蓝牙产品的干扰程度及蓝牙产品的抗干扰能力。为科学地规划蓝牙产品的使用频段以为及其业务共存提供技术依据，实际测试在2001年5月9日～6月11日于国家无线电管理机构大楼及安源大厦北京世纪异同通信服务有限公司扩频通信设备现场和一个合适的10ｍ法电波暗室中进行。进行了如下4类具体测试：
    1）按蓝牙规范对蓝牙设备的发射及接收指标进行测试；
    2）以我国对2.4ＧＨｚ频段扩频设备的管理规定作参考，对蓝牙设备进行核准性测试；
    3）在全电波暗室中测试直扩通信设备与蓝牙设备的电磁兼容性；
    4）在扩频通信现场实测直扩和跳频设备与蓝牙设备的电磁兼容性。
    参加测试的相应设备有：
    · Ｅｒｉｃｓｓｏｎ公司蓝牙耳机ＨＢＨ－10、蓝牙手机Ｒ520ｍｃ及蓝牙数据通信终端ＤＢＡ－10；
    · ＮＯＫＩＡ公司蓝牙数据通信终端ＦＬＡ－15、蓝牙手机ＬＲＷ－1及符合ＩＥＥＥ 802.11ｂ要求的无线局域网网卡Ｃ110；
    · 北京雷波泰克信息技术有限公司的直扩通信设备ＲＴ2400；
    · 北京世纪异同通信服务有限公司使用的直扩通信设备Ｐ－Ｃｏｍ384、Ｗｉ－ＬＡＮ4524及跳频通信设备ＴＡＬ Ｓｕｂ Ｓｐａｃｅ 2002；
    · 测试设备包括Ｒ／Ｓ ＣＭＵ200蓝牙设备测试仪、ＦＳＥＫ频谱分析仪及相应信号源Ｒ／Ｓ ＳＭＩＱ03、ＳＭＲ 20和Ａｇｉｌｅｎｔ 4436Ｂ，以及ＨＰ8922 ＧＳＭ手机测试仪等。
    通过上述实际测试及直扩系统对蓝牙与无线局域网系统的干扰与电磁兼容分析，包括蓝牙在内的跳频系统间的干扰与电磁兼容分析，以及蓝牙系统与直扩无线局域网系统间的彼此干扰与电磁兼容分析，获得下述主要结论：
    ａ） 在一定条件下，3种系统可兼容共存。
    ｂ） 为保护现有2.4ＧＨｚ扩频通信业务，其收发天线需在控制满足发射功率谱密度要求前提下尽量采用高增益、收发旁瓣及前后向隔离比优良的天线，并具有架设高度的基本保证，同时，作为城域网的运用，扩频系统的通信距离应控制在10ｋｍ左右，以保证其接收信号强度为－60ｄＢｍ～－70ｄＢｍ。
    ｃ） 现有扩频通信设备的ＥＩＲＰ≤27ｄＢｍ(包括天线增益在内)为较合理的值，并应采取严格的监管措施，防止运营商再擅自抬高发射功率，以保护其他运营商利益，并有利于蓝牙和无线局域网设备在我国的普及使用。
    ｄ） 为提高蓝牙设备对扩频设备的抗干扰能力，建议蓝牙设备采用自适应跳频技术及其他进一步提高其抗干扰能力的对抗措施，以获得较好的运行可用性。
    ｅ） 为给蓝牙创造更好跳频工作环境，建议与国际接轨，分配给蓝牙79个信道运作，并希望在条件成熟时尽快公布蓝牙设备在中国使用的频率规划。
    ｆ） 无线电管理部门对使用相应ＩＳＭ频段的工、科、医设备的电磁泄漏辐射应进行严格的控制监管，以创造尽可能良好的共存环境。
    目前，无线电管理局相关部门正结合此实际测试结果与建议，加速进行相应频率规划工作。
4.3 中国发展蓝牙技术的有关策略考虑
    1) 结合2.4ＧＨｚ ＩＳＭ频段的我国现有设备与业务运行的实际国情，以及上述电磁兼容性实测与分析结论和国外在这些方面处理ＩＳＭ、ＳＳ、ＷＬＡＮ、Ｕ－ＮＩＩ以及Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ的共存经验，加速频率规划与相关应用的试验进程，为蓝牙技术在中国的应用创造尽可能合理与良好的运行环境，使蓝牙技术在全球最大潜在用户的国家中能获得快速、稳定、健康、有序的发展。
    2) 由于蓝牙的软件体系是一个独立的操作系统，不与任何操作系统捆绑，但又期望充分利用现有系统规范，因此应设计其兼容操作规范协议。需要小心检验蓝牙与现有协议的融合与各种应用间的互操作性，同时，在其协议栈的不同层面将会存在较多的创造与改进空间，以更好完善蓝牙的技术规范与在ＩＳＭ频段的电磁兼容共存的能力与顽强性。例如以接入控制为例，目前蓝牙规范中定义了主站控制的轮询(Ｐｏｌｌｉｎｇ)无线接入协议，但其接入控制频道资源利用效率及管理效益仍有待进一步改进，可望开发更有效的ＭＡＣ方案与排程(Ｓｃｈｅｄｕｌｉｇ)方法及结合ＩＰ联网经验进一步改进其Ａｄ ｈｏｃ最优搜索路由(Ｒｏｕｔｉｎｇ)的传送协议。对进一步的多媒体通信应用，如何提高运行速率及适应不同ＱｏＳ要求，如何进行带宽按需等自适应控制，等等，均有较多创造、改进的余地。综合我国在发展ＶＣＤ／ＳＶＣＤ／ＤＶＤ产业的有关经验与模式，促进我国蓝牙产业的适合国情的创造性发展，应该进行最大限度的鼓励与支持。
    3) 集中有限的研发力量与投入，团结一致，以一种声音与统一有效的行动加强多方位国际合作及与ＢＳＩＧ的联系和合作，包括积极关注和参与ＩＥＥＥ 802.15的研究工作及ＢＳＩＧ的标准化工作，为中国与国际蓝牙的标准化工作贡献力量。
    4) 随着我国半导体芯片制造的软硬件基础产业实力的发展，在加强国际合作的基础上，相关产业发展管理部门应有计划地组织开发适合我国国情的优良性能／价格比的蓝牙芯片，以适应蓝牙技术的潜在广阔市场应用需求和发展我国民族产业。
    5) 充分利用我国的巨大蓝牙市场潜力进行技术创造与发展。蓝牙技术的应用对象既包括移动，亦包括半移动与固定的各类终端应用，但从最有活力的与个人相连接的网络含义而言，移动及半移动终端将成为份额与应用活力最大的蓝牙应用对象。预计今后3年左右，固定电话、移动电话及互联网用户将形成三分天下的基本格局；而未来5～8年内，移动电话用户和固定电话用户将平分秋色，各占“半壁江山”。相应地，2005年以后，蓝牙的普及应用估计会形成一种较好的势头而进入所谓嵌入式时代，那时全球移动电话用户将达14亿左右，预计上网的手机用户数量将达10亿左右，而那时中国的移动电话用户估计可达3亿左右，接近全球总数的1／5；预计2003年左右，全球上网手机数即可达3亿以上，将超过可接入互联网的ＰＣ数量；到2005年左右，中国的移动电话用户量、家电量、固定电话用户量甚至Ｉｎｔｅｒｎｅｔ用户及上网手机量，均可能居全球榜首。因此，蓝牙在中国的市场潜力在全世界最为诱人。为此，中国如此惊人的巨大市场潜力应该也必然是技术创新与知识革命的源动力。同时，为适应即将加入ＷＴＯ后的国际、国内环境竞争的需要，中国的制造商、操作运营者、科研部门及投资商必须建立紧密的战略合作伙伴关系，并与外国朋友紧密联系和合作，快速发展中国的民族产业以满足中国市场的巨大需求，锐意创新并加强自主知识产权，为增强我国综合国力，并走出国门、走向海外，为全球合作与全球技术进步，积极贡献我们的力量。