藍牙低能耗技術(shù)詳解

藍牙低能耗無(wú)線(xiàn)技術(shù)利用許多智能手段最大限度地降低功耗。

藍牙2.1+EDR/3.0+HS版本(通常指“標準藍牙技術(shù)”)與藍牙低能耗(BLE)技術(shù)有許多共同點(diǎn)：它們都是低成本、短距離、可互操作的魯棒性無(wú)線(xiàn)技術(shù)，工作在免許可的2.4GHz ISM射頻頻段。

不過(guò)它們之間有一個(gè)重要區別：藍牙低能耗技術(shù)從一開(kāi)始就設計為超低功耗(ULP)無(wú)線(xiàn)技術(shù)，而標準藍牙技術(shù)主要是能夠構成“低功耗的”無(wú)線(xiàn)連接。

標準藍牙技術(shù)是一種“面向連接”的無(wú)線(xiàn)技術(shù)，具有固定的連接時(shí)間間隔，因此是移動(dòng)電話(huà)連接無(wú)線(xiàn)耳機等高活動(dòng)連接的理想之選。相反，藍牙低能耗技術(shù)采用可變連接時(shí)間間隔，這個(gè)間隔根據具體應用可以設置為幾毫秒到幾秒不等。另外，因為BLE技術(shù)采用非?？焖俚倪B接方式，因此平時(shí)可以處于“非連接”狀態(tài)(節省能源)，此時(shí)鏈路兩端相互間只是知曉對方，只有在必要時(shí)才開(kāi)啟鏈路，然后在盡可能短的時(shí)間內關(guān)閉鏈路。

BLE技術(shù)的工作模式非常適合用于從微型無(wú)線(xiàn)傳感器(每半秒交換一次數據)或使用完全異步通信的遙控器等其它外設傳送數據。這些設備發(fā)送的數據量非常少(通常幾個(gè)字節)，而且發(fā)送次數也很少(例如每秒幾次到每分鐘一次，甚至更少)。

BLE的兩種芯片架構

藍牙低能耗架構共有兩種芯片構成：?jiǎn)文Ｐ酒碗p模芯片。藍牙單模器件是藍牙規范中新出現的一種只支持藍牙低能耗技術(shù)的芯片——是專(zhuān)門(mén)針對ULP操作優(yōu)化的技術(shù)的一部分。藍牙單模芯片可以和其它單模芯片及雙模芯片通信，此時(shí)后者需要使用自身架構中的藍牙低能耗技術(shù)部分進(jìn)行收發(fā)數據(參考圖1)。雙模芯片也能與標準藍牙技術(shù)及使用傳統藍牙架構的其它雙模芯片通信。

圖1：雙模芯片將使用其架構中的藍牙低能耗部分與單模器件通信。

雙模芯片可以在目前使用標準藍牙芯片的任何場(chǎng)合使用。這樣安裝有雙模芯片的手機、PC、個(gè)人導航設備(PND)或其它應用就可以和市場(chǎng)上已經(jīng)在用的所有傳統標準藍牙設備以及所有未來(lái)的藍牙低能耗設備通信。然而，由于這些設備要求執行標準藍牙和藍牙低能耗任務(wù)，因此雙模芯片針對ULP操作的優(yōu)化程度沒(méi)有像單模芯片那么高。

單模芯片可以用單節鈕扣電池(如3V、220mAh的CR2032)工作很長(cháng)時(shí)間(幾個(gè)月甚至幾年)。相反，標準藍牙技術(shù)(和藍牙低能耗雙模器件)通常要求使用至少兩節AAA電池(電量是鈕扣電池的10至12倍，可以容忍高得多的峰值電流)，并且更多情況下最多只能工作幾天或幾周的時(shí)間(取決于具體應用)。注意，也有一些高度專(zhuān)業(yè)化的標準藍牙設備，它們可以使用容量比AAA電池低的電池工作。

超低功耗無(wú)線(xiàn)技術(shù)

藍牙低能耗技術(shù)的三大特性成就了ULP性能，這三大特性分別是最大化的待機時(shí)間、快速連接和低峰值的發(fā)送/接收功耗。

無(wú)線(xiàn)“開(kāi)啟”的時(shí)間只要不是很短就會(huì )令電池壽命急劇降低，因此任何必需的發(fā)送或接收任務(wù)需要很快完成。被藍牙低能耗技術(shù)用來(lái)最小化無(wú)線(xiàn)開(kāi)啟時(shí)間的第一個(gè)技巧是僅用3個(gè)“廣告”信道搜索其它設備，或向尋求建立連接的設備宣告自身存在。相比之下，標準藍牙技術(shù)使用了32個(gè)信道。

這意味著(zhù)藍牙低能耗技術(shù)掃描其它設備只需“開(kāi)啟”0.6至1.2ms時(shí)間，而標準藍牙技術(shù)需要22.5ms時(shí)間來(lái)掃描它的32個(gè)信道。結果藍牙低能耗技術(shù)定位其它無(wú)線(xiàn)設備所需的功耗要比標準藍牙技術(shù)低10至20倍。

值得注意的是，使用3個(gè)廣告信道是某種程度上的妥協(xié)：這是在頻譜非常擁擠的部分對“開(kāi)啟”時(shí)間(對應于功耗)和魯棒性的一種折衷(廣告信道越少，另外一個(gè)無(wú)線(xiàn)設備在選用頻率上廣播的機會(huì )就越多，就越容易造成信號沖突)。不過(guò)該規范的設計師對于平衡這種妥協(xié)相當有信心——比如，他們選擇的廣告信道不會(huì )與Wi-Fi默認信道發(fā)生沖突(見(jiàn)圖2)。

圖2：藍牙低能耗技術(shù)的廣告信道是經(jīng)過(guò)慎重選擇的，可以避免與Wi-Fi發(fā)生沖突。

一旦連接成功后，藍牙低能耗技術(shù)就會(huì )切換到37個(gè)數據信道之一。在短暫的數據傳送期間，無(wú)線(xiàn)信號將使用標準藍牙技術(shù)倡導的自適應跳頻(AFH)技術(shù)以偽隨機的方式在信道間切換(雖然標準藍牙技術(shù)使用79個(gè)數據信道)。

要求藍牙低能耗技術(shù)無(wú)線(xiàn)開(kāi)啟時(shí)間最短的另一個(gè)原因是它具有1Mbps的原始數據帶寬——更大的帶寬允許在更短的時(shí)間內發(fā)送更多的信息。舉例來(lái)說(shuō)，具有250kbps帶寬的另一種無(wú)線(xiàn)技術(shù)發(fā)送相同信息需要開(kāi)啟的時(shí)間要長(cháng)8倍(消耗更多電池能量)。

藍牙低能耗技術(shù)“完成”一次連接(即掃描其它設備、建立鏈路、發(fā)送數據、認證和適當地結束)只需3ms。而標準藍牙技術(shù)完成相同的連接周期需要數百毫秒。再次提醒，無(wú)線(xiàn)開(kāi)啟時(shí)間越長(cháng)，消耗的電池能量就越多。

藍牙低能耗技術(shù)還能通過(guò)兩種其它方式限制峰值功耗：采用更加“寬松的”射頻參數以及發(fā)送很短的數據包。兩種技術(shù)都使用高斯頻移鍵控(GFSK)調制，但藍牙低能耗技術(shù)使用的調制指數是0.5，而標準藍牙技術(shù)是0.35。0.5的指數接近高斯最小頻移鍵控(GMSK)方案，可以降低無(wú)線(xiàn)設備的功耗要求(這方面的原因比較復雜，本文暫不贅述)。更低調制指數還有兩個(gè)好處，即提高覆蓋范圍和增強魯棒性。

標準藍牙技術(shù)使用的數據包長(cháng)度較長(cháng)。在發(fā)送這些較長(cháng)的數據包時(shí)，無(wú)線(xiàn)設備必須在相對較高的功耗狀態(tài)保持更長(cháng)的時(shí)間，從而容易使硅片發(fā)熱。這種發(fā)熱將改變材料的物理特性，進(jìn)而改變傳送頻率(中斷鏈路)，除非頻繁地對無(wú)線(xiàn)設備進(jìn)行再次校準。再次校準將消耗更多的功率(并且要求閉環(huán)架構，使得無(wú)線(xiàn)設備更加復雜，從而推高設備價(jià)格)。

相反，藍牙低能耗技術(shù)使用非常短的數據包——這能使硅片保持在低溫狀態(tài)。因此，藍牙低能耗收發(fā)器不需要較耗能的再次校準和閉環(huán)架構。

擴展藍牙生態(tài)系統

藍牙低能耗技術(shù)設計非常適合由于嚴格的功耗限制而無(wú)法使用標準藍牙技術(shù)的應用場(chǎng)合。這是第一次向電子設計師提供具有嚴格互操作性的ULP無(wú)線(xiàn)技術(shù)，有望帶來(lái)數百種新的應用。

一些早期的應用跡象也許是，藍牙技術(shù)聯(lián)盟(Bluetooth SIG)試圖通過(guò)發(fā)布首批配置(profile)進(jìn)一步補充藍牙版本4.0核心規范(包括了BLE)：這些配置針對諸如個(gè)人用戶(hù)接口設備(如手表)、遙控器、距離感應告警儀、電池狀態(tài)和心率監視器等一些應用優(yōu)化了藍牙低能耗通用芯片。其它健康和健身監視配置(如血糖儀和血壓計、周期性節律儀和周期性奇異電源)將隨后推出(見(jiàn)圖3)。

圖3：藍牙核心規范版本4.0定義了藍牙低能耗技術(shù)的架構。相應配置即將推出。

下面讓我們看一下藍牙低能耗技術(shù)是如何在以下兩種潛在應用中發(fā)揮作用的：距離感應告