低功耗藍(lán)牙的技術(shù)解析

　　導(dǎo)言

　　藍(lán)牙技術(shù)憑借其普遍性與簡潔性改變了設(shè)備之間的無線通信。設(shè)備可通過藍(lán)牙進(jìn)行高度安全的無線通信。由于其功耗與成本較低，藍(lán)牙在從高速汽車設(shè)備到復(fù)雜醫(yī)療設(shè)備等應(yīng)用領(lǐng)域的發(fā)展過程中發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。

　　藍(lán)牙的便捷性以及全球認(rèn)可度，使任何支持藍(lán)牙的設(shè)備都能通過配對流程與鄰近的其他設(shè)備連接。配對后的設(shè)備可建立全雙工通信，通過被稱為“微微網(wǎng)”的短程專用網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)和語音。微微網(wǎng)最多可連接八臺(tái)設(shè)備，其中一臺(tái)設(shè)備作為主設(shè)備，其他設(shè)備作為網(wǎng)絡(luò)/微微網(wǎng)內(nèi)的從屬設(shè)備。主設(shè)備作為集線器，從屬設(shè)備通過主設(shè)備互相通信。藍(lán)牙技術(shù)的另一大重要特征，就是使用跳頻來減少干擾的影響。

　　藍(lán)牙技術(shù)全雙工通信能力為用戶提供了諸多創(chuàng)新功能，比如連接手機(jī)與藍(lán)牙音箱、開車時(shí)的免提電話、兩臺(tái)筆記本電腦之間共享文件以及連接游戲機(jī)與支持藍(lán)牙的游戲控制器等。

　　低功耗藍(lán)牙：

　　低功耗藍(lán)牙是一種智能、低功耗的藍(lán)牙無線技術(shù)。這項(xiàng)技術(shù)通過縮小智能設(shè)備的尺寸、降低其價(jià)格與復(fù)雜性進(jìn)一步提高了其智能化程度。

　　低功耗藍(lán)牙，也可稱其為智能藍(lán)牙，一開始是藍(lán)牙4.0核心規(guī)格的一部分。在被藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟采納前，它是由諾基亞所設(shè)計(jì)的一項(xiàng)短距離無線通訊技術(shù)，其最初的目標(biāo)是提供功耗最低的無線標(biāo)準(zhǔn)，并且專門在低成本、低帶寬、低功耗與低復(fù)雜性方面進(jìn)行了優(yōu)化。這些設(shè)計(jì)目標(biāo)在核心規(guī)格中得以顯現(xiàn)：低功耗藍(lán)牙正努力成為一項(xiàng)專為半導(dǎo)體制造商以及低功耗、低成本實(shí)際應(yīng)用所設(shè)計(jì)的低功耗標(biāo)準(zhǔn)。目前，低功耗藍(lán)牙技術(shù)已被廣泛使用，并且只需一粒紐扣電池就能運(yùn)行很長時(shí)間。

　　雖然低功耗藍(lán)牙本身是一項(xiàng)卓越的技術(shù)，而真正令其被廣泛采納的原因，是這項(xiàng)技術(shù)在恰當(dāng)?shù)臅r(shí)間作出了適當(dāng)?shù)耐讌f(xié)。 雖然是一項(xiàng)相對新的標(biāo)準(zhǔn)，但已經(jīng)加入低功耗藍(lán)牙技術(shù)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)數(shù)量已遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其他無線技術(shù)在相同階段時(shí)的產(chǎn)品數(shù)量。

　　傳統(tǒng)藍(lán)牙所面臨的挑戰(zhàn)是電池的快速耗盡以及連接斷開次數(shù)頻繁，因此需要進(jìn)行頻繁的重復(fù)配對。低功耗藍(lán)牙成功地解決了這些問題，而這也是這項(xiàng)技術(shù)能夠得到快速發(fā)展的原因之一。而智能手機(jī)、平板電腦與移動(dòng)計(jì)算機(jī)設(shè)備的飛速發(fā)展進(jìn)一步推動(dòng)了這項(xiàng)技術(shù)的普及。移動(dòng)行業(yè)巨頭提前積極采納低功耗藍(lán)牙更為這項(xiàng)技術(shù)的普及開辟了道路，這轉(zhuǎn)而促使半導(dǎo)體制造商將其有限的資源投入到這項(xiàng)他們認(rèn)為最有可能長期蓬勃發(fā)展的技術(shù)。

　　隨著移動(dòng)設(shè)備和平板電腦市場越加成熟，外界與這些設(shè)備之間的連接需求創(chuàng)造了巨大的增長潛力。這是外圍設(shè)備供應(yīng)商開發(fā)創(chuàng)新設(shè)備，解決消費(fèi)者甚至在當(dāng)前還沒有意識(shí)到的問題的絕佳機(jī)會(huì)。因此，低功耗藍(lán)牙集聚了諸多優(yōu)勢，為靈活的小型產(chǎn)品設(shè)計(jì)者創(chuàng)造了憑借相對較低的設(shè)計(jì)預(yù)算，以特定功能、富有創(chuàng)意和創(chuàng)新的產(chǎn)品進(jìn)入大市場的機(jī)會(huì)。低功耗藍(lán)牙還使這些開發(fā)者能夠在今天使用易于獲取的芯片、工具和標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)出與任何先進(jìn)移動(dòng)平臺(tái)進(jìn)行通信的產(chǎn)品。

　　特性

　　1. 最低功耗

　　從外形設(shè)計(jì)到使用方式，一切皆以最低功耗為設(shè)計(jì)目標(biāo)。為了減少功耗，低功耗藍(lán)牙設(shè)備大部分時(shí)間會(huì)處于睡眠模式。當(dāng)活動(dòng)發(fā)生時(shí)，設(shè)備會(huì)自動(dòng)被喚醒并且向網(wǎng)關(guān)、個(gè)人電腦或智能手機(jī)發(fā)送一則短訊。最大/峰值功耗不超過15毫安，平均功耗約為1微安。使用時(shí)的功耗被降低到傳統(tǒng)藍(lán)牙的十分之一。在使用較少的應(yīng)用中，一粒紐扣電池就能維持5至10年的穩(wěn)定運(yùn)行。

　　2. 高成本效益與兼容性

　　為了兼容傳統(tǒng)藍(lán)牙技術(shù)并實(shí)現(xiàn)小型電池供電設(shè)備的成本效益，有兩種芯片組可供選擇：

　　· 具備低功耗藍(lán)牙技術(shù)與傳統(tǒng)藍(lán)牙功能的雙模技術(shù)。

　　· 以低成本與低功耗為主的專為小型電池供電設(shè)備優(yōu)化的純低功耗藍(lán)牙技術(shù)

　　3. 穩(wěn)定性、安全性與可靠性

　　低功耗藍(lán)牙技術(shù)使用與傳統(tǒng)藍(lán)牙技術(shù)相同的自適應(yīng)跳頻 (AFH) 技術(shù)，因而能確保低功耗藍(lán)牙能夠在住宅、工業(yè)與醫(yī)療應(yīng)用中的“嘈雜”射頻環(huán)境中維持穩(wěn)定的傳輸。為了最大程度地減少使用AFH的成本與功耗，低功耗藍(lán)牙技術(shù)已將通道數(shù)量從傳統(tǒng)藍(lán)牙技術(shù)的79個(gè)1兆赫茲寬通道減少至40個(gè)2兆赫茲的寬通道。

　　4. 無線共存

　　藍(lán)牙技術(shù)、無線LAN、IEEE 802.15.4/無線個(gè)域網(wǎng)以及許多專有的無線電均使用無需認(rèn)證許可的2.4千兆赫工業(yè)科學(xué)醫(yī)療(ISM)頻帶。由于共享這一無線電波空間的技術(shù)過多，因此無線性能會(huì)因干擾所引發(fā)的錯(cuò)誤修正與重復(fù)傳送而下降(例如延遲時(shí)間增加和吞吐量減少等)。在要求嚴(yán)格的應(yīng)用中，可通過頻率規(guī)劃與特殊的天線設(shè)計(jì)減少干擾。由于傳統(tǒng)藍(lán)牙與低功耗藍(lán)牙均使用AFH這項(xiàng)可以最大程度減少其他無線電技術(shù)干擾的技術(shù)，因此藍(lán)牙傳輸具有出色的穩(wěn)定性與可靠性。

　　5. 連接范圍

　　低功耗藍(lán)牙技術(shù)的調(diào)制與傳統(tǒng)藍(lán)牙技術(shù)略有不同。這一不同的調(diào)制以10毫瓦分貝的無線芯片組(低功耗藍(lán)牙最大功率)實(shí)現(xiàn)了高達(dá)300米的連接范圍。

　　6. 易用性和集成性

　　低功耗藍(lán)牙微微網(wǎng)一般基于一臺(tái)與多臺(tái)從設(shè)備連接的主設(shè)備。微微網(wǎng)中，所有設(shè)備要么是主設(shè)備，要么是從設(shè)備，但無法同時(shí)當(dāng)主設(shè)備和從設(shè)備。主設(shè)備控制從屬設(shè)備的通信頻率，而從屬設(shè)備只能根據(jù)主設(shè)備的要求進(jìn)行通信。相比傳統(tǒng)藍(lán)牙技術(shù)，低功耗藍(lán)牙技術(shù)所增加的一項(xiàng)新功能就是“廣播”功能。通過這項(xiàng)功能，從設(shè)備可以告知其需要向主設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)。廣播消息還包括活動(dòng)或測量值。

　　技術(shù)細(xì)節(jié)

　　· 數(shù)據(jù)傳輸 – 低功耗藍(lán)牙支持以1Mbps速度傳輸?shù)臉O小數(shù)據(jù)包(8個(gè)八位字節(jié)到27個(gè)八位字節(jié))。所有連接使用高級(jí)低耗電監(jiān)聽模式，從而實(shí)現(xiàn)超低工作周期，將功耗降至最低。

　　· 跳頻 – 低功耗藍(lán)牙使用藍(lán)牙技術(shù)通用的自適應(yīng)跳頻技術(shù)將2.4千兆赫ISM頻帶內(nèi)的其他技術(shù)干擾減至最小。高效的多路徑優(yōu)勢增加了鏈路預(yù)算和有效的運(yùn)行范圍，同時(shí)也優(yōu)化了功耗。

　　· 主機(jī)控制 – 低功耗藍(lán)牙具有極具智能化的控制功能。主機(jī)可以長時(shí)間處于睡眠模式，并且只在主機(jī)需要執(zhí)行時(shí)才會(huì)被控制器喚醒。由于主機(jī)處理器的功耗一般高于低功耗藍(lán)牙控制器，因而實(shí)現(xiàn)了最大程度的節(jié)能。

　　· 時(shí)延 – 低功耗藍(lán)牙支持3毫秒內(nèi)的連接設(shè)置與數(shù)據(jù)傳輸。因此，在短時(shí)突發(fā)通信中，應(yīng)用可以在數(shù)毫秒內(nèi)建立連接并且傳輸經(jīng)過驗(yàn)證的數(shù)據(jù)，然后迅速斷開連接。

　　· 距離 – 調(diào)制指數(shù)的增加使低功耗藍(lán)牙的最大距離達(dá)到100米以上。

　　· 穩(wěn)定性 – 低功耗藍(lán)牙在所有數(shù)據(jù)包上使用強(qiáng)大的24位 CRC保證最佳的抗干擾能力。

　　· 強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)安全性 – 使用CCM的完整 AES-128加密技術(shù)提供強(qiáng)大的數(shù)據(jù)包加密與驗(yàn)證，確保通信的安全。

　　· 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) – BLE在從屬設(shè)備的每個(gè)數(shù)據(jù)包上使用 32位訪問地址，從而可以連接數(shù)十億臺(tái)設(shè)備。這一技術(shù)專為一對一連接而優(yōu)化，同時(shí)在一對多連接時(shí)將使用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

　　傳統(tǒng)藍(lán)牙與低功耗藍(lán)牙之間的比較

　　應(yīng)用

　　正因?yàn)閹缀跛斜銛y設(shè)備都支持BLE，其完全可以運(yùn)用到各種行業(yè)的各種新應(yīng)用里。比如在展會(huì)上，BLE將可以在以下方面幫助公司更有效地贏得新客戶：

　　游戲– 通過獎(jiǎng)勵(lì)展會(huì)觀眾利用低功耗藍(lán)牙技術(shù)找到安放在某些位置的Beacon，參展方可以吸引到這些觀眾主動(dòng)走到那些受到冷遇的領(lǐng)域。

　　贊助 – 通過Beacon向參展觀眾推送通知鼓勵(lì)他們在經(jīng)過展會(huì)特定區(qū)域時(shí)查看附近展位，這可以為向贊助商提供的一項(xiàng)高級(jí)服務(wù)，從而實(shí)現(xiàn)額外收入。

　　熱圖 – Beacon可以獲取實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，識(shí)別熱點(diǎn)并且通知活動(dòng)管理者人數(shù)過多從而可能產(chǎn)生安全隱患的地點(diǎn)。

　　內(nèi)容發(fā)布 – 參會(huì)者無需再等待通過電子郵件獲取會(huì)議幻燈片。BLE Beacon信標(biāo)可以與會(huì)者并且在會(huì)議期間或結(jié)束后立即自動(dòng)發(fā)送幻燈片、電子書和其他材料。

　　自動(dòng)簽到 - 活動(dòng)組織者在會(huì)場入口設(shè)置模擬簽到的Beacon，就可以輕松獲得有關(guān)活動(dòng)或展會(huì)參加人數(shù)的信息并且實(shí)時(shí)查看他們的個(gè)人檔案。使用者無需在場。如果用戶下載該應(yīng)用并且在其移動(dòng)設(shè)備上啟動(dòng)藍(lán)牙功能，則該應(yīng)用會(huì)在用戶走進(jìn)會(huì)場時(shí)立刻進(jìn)行自動(dòng)簽到。

　　低功耗藍(lán)牙已有了一個(gè)成熟的生態(tài)圈。開發(fā)者已經(jīng)可以獲得各種能夠加快BLE設(shè)備硬件與軟件開發(fā)速度的芯片與模塊。比如，賽普拉斯的ARM Cortex-M0 PSoC 4 低功耗藍(lán)牙處理器是集成了模擬前端、數(shù)字邏輯、CapSense、以及BLE射頻的單片式低功耗藍(lán)牙芯片。而喜歡全集成模塊的OEM則可以選擇Cypress EZ-BLE PRoC模塊。該模塊基于賽普拉斯的PRoC BLE芯片開發(fā)，包含兩個(gè)晶振、芯片天線、外殼和無源組件，尺寸僅為10 x 10 x 1.8毫米，使用簡單且上市時(shí)間短，是一款經(jīng)過認(rèn)證的可編程低功耗藍(lán)牙模塊。