全面揭秘藍牙4.0技術(shù)細節

　　雖然藍牙（Bluetooth）3.0都還尚未完全普及，Bluetooth SIG（藍牙技術(shù)聯(lián)盟，Bluetooth Special InterestGroup，后文簡(jiǎn)稱(chēng)BluetoothSIG）卻又再次推出了藍牙4.0規范，并表示這又是藍牙發(fā)展史上一次重大的革新。值藍牙4.0 推出之時(shí)，我們特地采訪(fǎng)了BluetoothSIG的相關(guān)技術(shù)工程師，并請他們就藍牙4.0的技術(shù)特性做了較為詳細的講解。

　　本文中，我們將一面體會(huì )低功耗藍牙帶來(lái)的全新應用模式，一面再次回顧Bluetooth的發(fā)展歷程，你會(huì )發(fā)現藍牙技術(shù)在曾經(jīng)的一度迷失之后，再次找回了自己的位置和尊嚴。

　　當前的家庭客廳系統，點(diǎn)對點(diǎn)架構已經(jīng)帶來(lái)糾纏不清的線(xiàn)纜和混亂，如果我們還想把游戲機、數碼相機、DV、耳機、麥克風(fēng)還有移動(dòng)電話(huà)都連接起來(lái)，可能還得考慮增加USB、1394、SPDIF以及各種充電器和電源插座線(xiàn)纜。

　圖1：點(diǎn)對點(diǎn)結構帶來(lái)線(xiàn)纜連接問(wèn)題

　　有沒(méi)有一種通用的、不需要用戶(hù)干預的簡(jiǎn)便方法把各種電子設備連接在一起，而又不至于被線(xiàn)纜淹沒(méi)呢？在Wi-Fi之外，大家現在已經(jīng)比較熟悉的“藍牙”正是這樣一種連接技術(shù)，它被設計為面向個(gè)人和家庭的無(wú)線(xiàn)式自動(dòng)連接，其三大核心特點(diǎn)便是無(wú)線(xiàn)、低成本和自動(dòng)化。

　　圖2：藍牙的無(wú)線(xiàn)連接模式

　　你是通過(guò)什么途徑來(lái)了解并熟悉藍牙技術(shù)的？我想對于絕大部分用戶(hù)而言，無(wú)非是兩個(gè)途徑—藍牙耳機或者手機的藍牙功能。也許你知道如何用藍牙功能，但是你 了解藍牙技術(shù)嗎？未必！尤其是在洗盡浮華而轉重視實(shí)用層面的藍牙4.0技術(shù)發(fā)布之后，藍牙的應用面又得到了極大的擴展。從1.0的失敗到4.0的革新變 遷，藍牙技術(shù)經(jīng)歷了哪些改變和進(jìn)化？藍牙技術(shù)的基本原理是什么？當然還有大家最關(guān)心的藍牙4.0到底能給我們帶來(lái)什么？我們即將為您一一解答。

　　Bluetooth 4.0 協(xié)議組成

　　和當前主流的Bluetooth2.x+EDR、還未普及的Bluetooth3.0+HS不同，Bluetooth 4.0是Bluetooth從誕生至今唯一的一個(gè)綜合協(xié)議規范，還提出了低功耗藍牙、經(jīng)典藍牙和高速藍牙三種模式。其中高速藍牙主攻數據交換與傳輸，經(jīng)典 藍牙則以信息溝通、設備連接為重點(diǎn)，藍牙低功耗顧名思義，以不需占用太多帶寬的設備連接為主。這三種協(xié)議規范還能夠互相組合搭配、從而實(shí)現更廣泛的應用模 式，此外，Bluetooth 4.0還把藍牙的傳輸距離提升到100米以上（低功耗模式條件下）。

　　Bluetooth SIG表示，正式推出Bluetooth 4.0的用意就是希望能夠通過(guò)單一的接口，讓?xiě)孟到y自己挑選技術(shù)使用，而不是讓消費者進(jìn)行設備互連時(shí)，還要手動(dòng)選擇各項設備的連接模式，這一人性化的功 能取向顯然沿襲了藍牙關(guān)注可用性和實(shí)際體驗的設計思路，三種應用模式中，因為經(jīng)典藍牙和高速藍牙都只是對舊有藍牙版本的延續和強化，下面我們將重點(diǎn)闡述將全新的低功耗藍牙技術(shù)。

　　Bluetooth 4.0 低耗電模式在應用模式上的改變和提升

　　低功耗藍牙的前身其實(shí)是 NOKIA開(kāi)發(fā)的Wibree技術(shù)，本是作為一項專(zhuān)為移動(dòng)設備開(kāi)發(fā)的極低功耗的移動(dòng)無(wú) 線(xiàn)通信技術(shù)，在被SIG接納并規范化之后重新命名為Bluetooth Low Energy（后簡(jiǎn)稱(chēng)低功耗藍牙）。由于該技術(shù)專(zhuān)為極低電池量的裝置而設計，僅通過(guò)普通紐扣電池供電便可確保長(cháng)達一年的正常使用，因此在包括醫療、工業(yè)控 制、無(wú)線(xiàn)鍵盤(pán)、鼠標、甚至單音耳機、無(wú)線(xiàn)遙控器等設備領(lǐng)域都可得到廣泛應用。譬如裝有記步器的運動(dòng)鞋、裝有脈搏量測的運動(dòng)手環(huán)等，就可以通過(guò)低功耗藍牙低 功耗技術(shù)將監控信息傳送到記錄器（能是手表或是PDA）上，而不需像標準藍牙設備一般需要常常充電。它易于與其它藍牙技術(shù)整合，既可補足藍牙技術(shù)在無(wú)線(xiàn)個(gè) 人區域網(wǎng)絡(luò )（PAN）的應用，也能加強該技術(shù)為小型設備提供無(wú)線(xiàn)連接的能力。

　　如果說(shuō)Wibree的超低功耗奠定了一個(gè)技術(shù)上的 基礎，那么該協(xié)議被更名為Bluetooth Low Energy并納入Bluetooth 4.0之后，便拓展成為一種全新的應用模式，如圖6。因為低功耗藍牙提供了持久的無(wú)線(xiàn)連接且有效擴大相關(guān)應用產(chǎn)品的射程，在各種傳感器和終端設備上采集到 的信息被通過(guò)低功耗藍牙采集到電腦、手表、移動(dòng)電話(huà)等具備計算和處理能力的主機設備中，再通過(guò)GPRS、3G、經(jīng)典/高速模式藍牙或WLAN等傳統無(wú)線(xiàn)網(wǎng) 絡(luò )應用與相應的Web服務(wù)關(guān)聯(lián)，從而從根本上解決當前傳統網(wǎng)絡(luò )應用在模式上的局限性和交互手段匱乏、數據來(lái)源少、實(shí)時(shí)性差等問(wèn)題，真正讓網(wǎng)絡(luò )步入生活。

　　圖3： 低耗電藍牙帶來(lái)的應用模式的改變

　　必須指出，因為低功耗藍牙在應用模式上的革命性提升，將催生的應用模式完全無(wú)法進(jìn)行預估，因此它將拓展出的應用市場(chǎng)絕不會(huì )是一個(gè)成熟的利基市場(chǎng)，而將是一片真正意義上的新領(lǐng)域，只要有對應用的準確把握和合理的理念，誰(shuí)都可能在這個(gè)領(lǐng)域里掘得第一桶金。

　　Bluetooth 4.0 雙模式組合應用

　　根據Bluetooth SIG發(fā)布的Bluetooth 4.0核心規范白皮書(shū)，Bluetooth 4.0低耗電模式有雙模式和單模式兩種應用。低功耗藍牙的單模式藍牙的技術(shù)特點(diǎn)技術(shù)綜述藍牙（Bluetooth）通過(guò)低功率無(wú)線(xiàn)電波傳輸數據，其本質(zhì)是 一種支持設備短距離通信（一般是10m之內）的無(wú)線(xiàn)電技術(shù)。其標準是IEEE 802.15，工作在2.402～2.480GHz頻率帶之間，基礎帶寬為1Mb/s。和Wi-Fi、WiMAX等用于局域、城域的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )規范不同的 是，Bluetooth所定義的應用范圍更小一些，它將應用鎖定在一個(gè)以個(gè)人為單位的人域網(wǎng)（PAN）領(lǐng)域，也就是個(gè)人起居活動(dòng)范圍的方圓10米之內，卻 容納了包括音頻、互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)通信、文件傳輸等在內的非常多樣化的應用取向，加上強調自動(dòng)化和易操作性，因此在這一領(lǐng)域里很快就得到了普及，雖然在藍牙的 發(fā)展過(guò)程中一度曾偏離了這一主旨，但Bluetooth 4.0的出現無(wú)疑揭示了Bluetooth對自身核心價(jià)值的反思和回歸。

　　調節性跳頻與微微網(wǎng)（Piconet）的原理

　　因為藍牙所用的頻帶仍處于應用繁多的2.4G無(wú)線(xiàn)電頻率范圍附近，為達到最大限度地避免設備間的相互干擾的目的，藍牙從實(shí)際的應用出發(fā)，將信號功率設計 得非常微弱，僅為手機信號的數千分之一，這樣設備間的距離就只能保持在約10米范圍內，從而避免了和移動(dòng)電話(huà)、電視機等設備間的相互干擾。

　　藍牙協(xié)議被設計為同時(shí)允許最多八個(gè)藍牙設備互連，因此協(xié)議需要解決的另一個(gè)問(wèn)題就是如何處理同在有效傳輸范圍內的這些藍牙設備之間的相互干擾，這一問(wèn)題 的解決催生了藍牙協(xié)議最具獨創(chuàng )性的通信方式—調節性跳頻技術(shù)。它定義了79個(gè)獨立且可隨機選擇的有效通信頻率，每個(gè)藍牙設備都能使用其中任何一個(gè)頻率，且 能有規律地隨時(shí)跳往另一個(gè)頻率，按協(xié)議規范，這樣的頻率跳轉每秒鐘會(huì )發(fā)生1600次，因此不太可能出現兩個(gè)發(fā)射器使用相同頻率的情況，即使在特定頻率下有 任何干擾，其持續時(shí)間也僅不到千分之一秒，因此該技術(shù)同時(shí)還將外界干擾對藍牙設備間通訊的影響降低到最小。

　　讓我們設想一下兩個(gè)藍牙設備 間通訊的過(guò)程，當兩個(gè)藍牙設備互相靠近時(shí)，它們之間會(huì )發(fā)生電子會(huì )話(huà)以交流需求，這一會(huì )話(huà)過(guò)程無(wú)需用戶(hù)參與，而一旦需求確認，設備間便會(huì )自動(dòng)確認地址并組成 一個(gè)被稱(chēng)為微微網(wǎng)（Piconet）的微型網(wǎng)絡(luò )，此網(wǎng)絡(luò )一旦形成，組成網(wǎng)絡(luò )的設備便可協(xié)商好和諧地隨機跳頻，以確保彼此間的聯(lián)系，但又不會(huì )對其它信號構成 干擾，于是藍牙—雜技演員手里的一個(gè)鋼球就這樣形成了。

　　藍牙的協(xié)議組成 藍牙標準從制定之初便定義成為個(gè)人區域內的無(wú)線(xiàn)通信制定的協(xié)議，它包括兩部分：第一部分為協(xié)議核心（Core）部分，用來(lái)規定諸如射頻、基帶、鏈路管理、 服務(wù)發(fā)現、傳輸層以及與其他通信協(xié)議間的互用、互操作性等基本組件及方法；第二部分為協(xié)議子集（Profile）部分，用來(lái)以規定不同藍牙應用（也稱(chēng)使用 模式）所需的協(xié)議和過(guò)程。

　　圖4： 共享射頻層和獨立射頻層的雙模式低耗電藍牙設計

　　如圖5，藍牙標準的設計仍采用從下至上的分層式結構，以人機接口（Host Controller Interface，HCI）為界分為低層和高層協(xié)議，其中底層的基帶（Baseband）、射頻（BluetoothRadio）和鏈路管理層 （LMP）協(xié)議定義了完成數據流的過(guò)濾和功能組件是一個(gè)高度集成的裝置，具備輕量的鏈路層（Link Layer），能在最低成本的前提下，支持低功耗的待機模式、簡(jiǎn)易的設備發(fā)現、可靠的點(diǎn)對多點(diǎn)的數據傳輸、安全的加密鏈接等；位于上述控制器中的鏈路層， 適用于網(wǎng)絡(luò )連接傳感器，并確保在無(wú)線(xiàn)傳輸中，都能通過(guò)低功耗藍牙傳輸。在雙模式應用中，藍牙低功耗的功能會(huì )整合至現有的傳統藍牙控制器中，共享傳統藍牙技 術(shù)已有的射頻和功能，相較于傳統的藍牙技術(shù)，增加的成本更??；除此之外，制造商可利用升級版藍牙低功耗技術(shù)的功能模塊，集成目前的藍牙3.0高速版本、或 2.1+EDR等傳統藍牙功能組件，從而改善傳統藍牙設備的數據傳輸效能。圖4即為藍牙低功耗技術(shù)的雙模式應用功能邏輯拓撲圖，圖4右邊所示即為通過(guò)整合原有藍牙技術(shù)的射頻降低了升級成本。

圖5： 藍牙標準模塊構成

　　低功耗藍牙為何如此省電？根據SIG官方發(fā)布會(huì )的資料，它和經(jīng)典藍牙技術(shù)相比，主要的改變集中體現在待機功耗的減少、高速連接的實(shí)現 和峰值功率的降低三個(gè)方面。待機功耗的下降 傳統藍牙設備的待機耗電量大一直是為人所詬病的缺陷之一，這與傳統藍牙技術(shù)動(dòng)輒采用16～32個(gè)頻道進(jìn)行廣播不無(wú)關(guān)系，而低功耗藍牙僅使用了3個(gè)廣播通 道，且每次廣播時(shí)射頻的開(kāi)啟時(shí)間也由傳統的22.5ms減少到0.6～1.2ms，這兩個(gè)協(xié)議規范上的改變顯然大大降低了因為廣播數據導致的待機功耗；此 外低功耗藍牙設計了用深度睡眠狀態(tài)來(lái)替換傳統藍牙的空閑狀態(tài)，在深度睡眠狀態(tài)下，主機長(cháng)時(shí)間處于超低的負載循環(huán)（DutyCycle）狀態(tài)，只在需要運作 時(shí)由控制器來(lái)啟動(dòng)，因主機較控制器消耗更多的能源，因此這樣的設計也節省了最多的能源；在深度睡眠狀態(tài)下，協(xié)議也針對此通訊模式進(jìn)行了優(yōu)化，數據發(fā)送間隔 時(shí)間也增加到0.5～4s，傳感器類(lèi)應用程序發(fā)送的數據量較平常要少很多，而且所有連接均采用先進(jìn)的嗅探性次額定（Sn i f f-Subrating）功能模式，因此此時(shí)的射頻能耗幾乎可以忽略不計，綜合以上因素，低功耗藍牙的待機功耗較傳統藍牙大大減少。

　　高速連接的實(shí)現 要明白這一過(guò)程，我們必須先介紹一下藍牙設備和主機設備的連接步驟。

　　第一步：通過(guò)掃描，試圖發(fā)現新設備

　　第二步：確認發(fā)現的設備沒(méi)有而已軟件，也沒(méi)有處于鎖定狀況

　　第三步：發(fā)送IP地址

　　第四步：收到并解讀待配對設備發(fā)送過(guò)來(lái)的數據

　　第五步：建立并保存連接

　　按照傳統的藍牙協(xié)議的規范，若某一藍牙設備正在進(jìn)行廣播，則它不會(huì )響應當前正在進(jìn)行的設備掃描，而低功耗藍牙協(xié)議規范允許正在進(jìn)行廣播的設備連接到正在 掃描的設備上，這就有效避免了重復掃描，而通過(guò)對連接機制的改善，低功耗藍牙下的設備連接建立過(guò)程已可控制在3ms內完成，同時(shí)能以應用程序迅速啟動(dòng)鏈接 器，并以數毫秒的傳輸速度完成經(jīng)認可的數據傳遞后并立即關(guān)閉連結，而傳統藍牙協(xié)議下即使只是建立鏈路層連接都需要花費100ms，建立L2CAP（邏輯鏈 路控制與適應協(xié)議）層的連接建立時(shí)間則更長(cháng)。

　　藍牙低功耗協(xié)議還對拓撲結構進(jìn)行了優(yōu)化，通過(guò)在每個(gè)從設備及每個(gè)數據包上使用32位的存取 地址，能夠讓數十億個(gè)設備能被同時(shí)連接。此技術(shù)不但將傳統藍牙一對一的連結優(yōu)化，同時(shí)也利用星狀拓撲來(lái)完成一對多點(diǎn)的連結。在連接和斷線(xiàn)切換迅速的應用場(chǎng) 景下，數據能夠在網(wǎng)狀拓撲之間移動(dòng)，但不至于為了維持此網(wǎng)絡(luò )而顯得過(guò)于復雜，這也有效減輕了連接復雜性，減少了連接建立時(shí)間。降低峰值功率 低功耗藍牙對數據包長(cháng)度進(jìn)行了更加嚴格的定義，支持超短（8～27Byte）數據封包，并使用了隨機射頻參數和增加了GSFK調制索引，這些措施最大限度 地減少了數據收發(fā)的復雜性；此外低功耗藍牙還通過(guò)增加調變指數，并采用24位的CRC（循環(huán)冗余檢查）確保封包在受干擾時(shí)具有更大的穩定度，低功耗藍牙的 射程增加至100m以上，以上措施結合藍牙傳統的跳頻原理，有效降低了峰值功率。

　　總結與展望

　　筆者認為Bluetooth的靈魂在于應用而非速度，如何讓?xiě)玫拈T(mén)檻更低，讓上手更容易，讓設備自動(dòng)化程度更高，需要用戶(hù)介入的過(guò)程越少，使用者的感 受越好，數據的可靠程度越高，移動(dòng)的便利性越強，那么它就是Bluetooth該努力的方向，讓我們一起祝福Bluetooth有一個(gè)更好的將來(lái)吧。