低功耗蓝牙的技术解析

导言

蓝牙技术凭借其普遍性与简洁性改变了设备之间的无线通信。设备可通过蓝牙进行高度安全的无线通信。由于其功耗与成本较低，蓝牙在从高速汽车设备到复杂医疗设备等应用领域的发展过程中发挥着至关重要的作用。

蓝牙的便捷性以及全球认可度，使任何支持蓝牙的设备都能通过配对流程与邻近的其他设备连接。配对后的设备可建立全双工通信，通过被称为“微微网”的短程专用网络传输数据和语音。微微网最多可连接八台设备，其中一台设备作为主设备，其他设备作为网络/微微网内的从属设备。主设备作为集线器，从属设备通过主设备互相通信。蓝牙技术的另一大重要特征，就是使用跳频来减少干扰的影响。

蓝牙技术全双工通信能力为用户提供了诸多创新功能，比如连接手机与蓝牙音箱、开车时的免提电话、两台笔记本电脑之间共享文件以及连接游戏机与支持蓝牙的游戏控制器等。

低功耗蓝牙：

低功耗蓝牙是一种智能、低功耗的蓝牙无线技术。这项技术通过缩小智能设备的尺寸、降低其价格与复杂性进一步提高了其智能化程度。

低功耗蓝牙，也可称其为智能蓝牙，一开始是蓝牙4.0核心规格的一部分。在被蓝牙技术联盟采纳前，它是由诺基亚所设计的一项短距离无线通讯技术，其最初的目标是提供功耗最低的无线标准，并且专门在低成本、低带宽、低功耗与低复杂性方面进行了优化。这些设计目标在核心规格中得以显现：低功耗蓝牙正努力成为一项专为半导体制造商以及低功耗、低成本实际应用所设计的低功耗标准。目前，低功耗蓝牙技术已被广泛使用，并且只需一粒纽扣电池就能运行很长时间。

虽然低功耗蓝牙本身是一项卓越的技术，而真正令其被广泛采纳的原因，是这项技术在恰当的时间作出了适当的妥协。 虽然是一项相对新的标准，但已经加入低功耗蓝牙技术的产品设计数量已远远超过其他无线技术在相同阶段时的产品数量。

传统蓝牙所面临的挑战是电池的快速耗尽以及连接断开次数频繁，因此需要进行频繁的重复配对。低功耗蓝牙成功地解决了这些问题，而这也是这项技术能够得到快速发展的原因之一。而智能手机、平板电脑与移动计算机设备的飞速发展进一步推动了这项技术的普及。移动行业巨头提前积极采纳低功耗蓝牙更为这项技术的普及开辟了道路，这转而促使半导体制造商将其有限的资源投入到这项他们认为最有可能长期蓬勃发展的技术。

随着移动设备和平板电脑市场越加成熟，外界与这些设备之间的连接需求创造了巨大的增长潜力。这是外围设备供应商开发创新设备，解决消费者甚至在当前还没有意识到的问题的绝佳机会。因此，低功耗蓝牙集聚了诸多优势，为灵活的小型产品设计者创造了凭借相对较低的设计预算，以特定功能、富有创意和创新的产品进入大市场的机会。低功耗蓝牙还使这些开发者能够在今天使用易于获取的芯片、工具和标准设计出与任何先进移动平台进行通信的产品。

特性

1. 最低功耗

从外形设计到使用方式，一切皆以最低功耗为设计目标。为了减少功耗，低功耗蓝牙设备大部分时间会处于睡眠模式。当活动发生时，设备会自动被唤醒并且向网关、个人电脑或智能手机发送一则短讯。最大/峰值功耗不超过15毫安，平均功耗约为1微安。使用时的功耗被降低到传统蓝牙的十分之一。在使用较少的应用中，一粒纽扣电池就能维持5至10年的稳定运行。

2. 高成本效益与兼容性

为了兼容传统蓝牙技术并实现小型电池供电设备的成本效益，有两种芯片组可供选择：

具备低功耗蓝牙技术与传统蓝牙功能的双模技术。
以低成本与低功耗为主的专为小型电池供电设备优化的纯低功耗蓝牙技术

3.  稳定性、安全性与可靠性

低功耗蓝牙技术使用与传统蓝牙技术相同的自适应跳频 (AFH) 技术，因而能确保低功耗蓝牙能够在住宅、工业与医疗应用中的“嘈杂”射频环境中维持稳定的传输。为了最大程度地减少使用AFH的成本与功耗，低功耗蓝牙技术已将通道数量从传统蓝牙技术的79个1兆赫兹宽通道减少至40个2兆赫兹的宽通道。

4.  无线共存

蓝牙技术、无线LAN、IEEE 802.15.4/无线个域网以及许多专有的无线电均使用无需认证许可的2.4千兆赫工业科学医疗（ISM）频带。由于共享这一无线电波空间的技术过多，因此无线性能会因干扰所引发的错误修正与重复传送而下降（例如延迟时间增加和吞吐量减少等）。在要求严格的应用中，可通过频率规划与特殊的天线设计减少干扰。由于传统蓝牙与低功耗蓝牙均使用AFH这项可以最大程度减少其他无线电技术干扰的技术，因此蓝牙传输具有出色的稳定性与可靠性。

5.  连接范围

低功耗蓝牙技术的调制与传统蓝牙技术略有不同。这一不同的调制以10毫瓦分贝的无线芯片组（低功耗蓝牙最大功率）实现了高达300米的连接范围。

6. 易用性和集成性

低功耗蓝牙微微网一般基于一台与多台从设备连接的主设备。微微网中，所有设备要么是主设备，要么是从设备，但无法同时当主设备和从设备。主设备控制从属设备的通信频率，而从属设备只能根据主设备的要求进行通信。相比传统蓝牙技术，低功耗蓝牙技术所增加的一项新功能就是“广播”功能。通过这项功能，从设备可以告知其需要向主设备发送数据。广播消息还包括活动或测量值。

技术细节

数据传输 – 低功耗蓝牙支持以1Mbps速度传输的极小数据包（8个八位字节到27个八位字节）。所有连接使用高级低耗电监听模式，从而实现超低工作周期，将功耗降至最低。

跳频 – 低功耗蓝牙使用蓝牙技术通用的自适应跳频技术将2.4千兆赫ISM频带内的其他技术干扰减至最小。高效的多路径优势增加了链路预算和有效的运行范围，同时也优化了功耗。

主机控制 – 低功耗蓝牙具有极具智能化的控制功能。主机可以长时间处于睡眠模式，并且只在主机需要执行时才会被控制器唤醒。由于主机处理器的功耗一般高于低功耗蓝牙控制器，因而实现了最大程度的节能。

时延 – 低功耗蓝牙支持3毫秒内的连接设置与数据传输。因此，在短时突发通信中，应用可以在数毫秒内建立连接并且传输经过验证的数据，然后迅速断开连接。

距离  – 调制指数的增加使低功耗蓝牙的最大距离达到100米以上。

稳定性 – 低功耗蓝牙在所有数据包上使用强大的24位 CRC保证最佳的抗干扰能力。

强大的网络安全性 – 使用CCM的完整 AES-128加密技术提供强大的数据包加密与验证，确保通信的安全。

拓扑结构 – BLE在从属设备的每个数据包上使用 32位访问地址，从而可以连接数十亿台设备。这一技术专为一对一连接而优化，同时在一对多连接时将使用星型拓扑结构。

传统蓝牙与低功耗蓝牙之间的比较

应用

正因为几乎所有便携设备都支持BLE，其完全可以运用到各种行业的各种新应用里。比如在展会上，BLE将可以在以下方面帮助公司更有效地赢得新客户：

游戏– 通过奖励展会观众利用低功耗蓝牙技术找到安放在某些位置的Beacon，参展方可以吸引到这些观众主动走到那些受到冷遇的领域。

赞助 – 通过Beacon向参展观众推送通知鼓励他们在经过展会特定区域时查看附近展位，这可以为向赞助商提供的一项高级服务，从而实现额外收入。

热图 – Beacon可以获取实时统计数据，识别热点并且通知活动管理者人数过多从而可能产生安全隐患的地点。

内容发布 – 参会者无需再等待通过电子邮件获取会议幻灯片。BLE Beacon信标可以与会者并且在会议期间或结束后立即自动发送幻灯片、电子书和其他材料。

自动签到 - 活动组织者在会场入口设置模拟签到的Beacon，就可以轻松获得有关活动或展会参加人数的信息并且实时查看他们的个人档案。使用者无需在场。如果用户下载该应用并且在其移动设备上启动蓝牙功能，则该应用会在用户走进会场时立刻进行自动签到。

低功耗蓝牙已有了一个成熟的生态圈。开发者已经可以获得各种能够加快BLE设备硬件与软件开发速度的芯片与模块。比如，赛普拉斯的ARM Cortex-M0 PSoC 4 低功耗蓝牙处理器是集成了模拟前端、数字逻辑、CapSense、以及BLE射频的单片式低功耗蓝牙芯片。而喜欢全集成模块的OEM则可以选择Cypress EZ-BLE PRoC模块。该模块基于赛普拉斯的PRoC BLE芯片开发，包含两个晶振、芯片天线、外壳和无源组件，尺寸仅为10 x 10 x 1.8毫米，使用简单且上市时间短，是一款经过认证的可编程低功耗蓝牙模块。