2.4GHz專(zhuān)用射頻和藍牙4.0 HID應用對比

隨著(zhù)無(wú)線(xiàn)技術(shù)在人機接口設備（HID）的不斷廣泛應用，市場(chǎng)上更多的的HID產(chǎn)品集成了無(wú)線(xiàn)技術(shù) (如無(wú)線(xiàn)鍵盤(pán)、無(wú)線(xiàn)鼠標，等等）。一般情況下，開(kāi)發(fā)人員的選擇常常局限于以下兩個(gè)方面：根據應用來(lái)開(kāi)發(fā)最優(yōu)的專(zhuān)用協(xié)議，或遵循常用的無(wú)線(xiàn)標準（如藍牙）。盡管無(wú)線(xiàn)標準體現出了其互通的優(yōu)勢，但它們也帶來(lái)了設計復雜和增加不必要開(kāi)銷(xiāo)的問(wèn)題，這導致系統的成本提高了。另一方面，專(zhuān)用協(xié)議使開(kāi)發(fā)人員在定制應用方面更靈活，開(kāi)發(fā)步驟更簡(jiǎn)潔。

選擇PC HID射頻的關(guān)鍵是成本（PC HID市場(chǎng)價(jià)格相當敏感）、安全性、范圍、功耗、反應時(shí)間、干擾、協(xié)同定位，和易于設計。一般來(lái)說(shuō)，市場(chǎng)上標準協(xié)議比專(zhuān)用協(xié)議更具有競爭力，因為它使設備之間具有互通性。然而，直到2009年，在PC HID方面，只有專(zhuān)用協(xié)議占據了市場(chǎng)。這主要歸結于沒(méi)有任何一種無(wú)線(xiàn)標準對PC HID市場(chǎng)來(lái)說(shuō)在成本、功耗和效率方面是最優(yōu)的。隨著(zhù)低功耗藍牙無(wú)線(xiàn)技術(shù)試圖進(jìn)攻低功耗市場(chǎng)，我們可以預見(jiàn)到新的無(wú)線(xiàn)電標準將要占據PC市場(chǎng)一席之地。這篇文章比較了藍牙4.0無(wú)線(xiàn)技術(shù)和專(zhuān)用協(xié)議在HID市場(chǎng)的應用。

專(zhuān)用射頻解決方案
為了在2.4GHz射頻帶得到一個(gè)可靠的通訊鏈接，專(zhuān)用射頻網(wǎng)絡(luò )充分利用了自己的協(xié)議。網(wǎng)絡(luò )工作在安靜的渠道，以確保橋從節點(diǎn)接收到數據包。如果通道變得擁擠，網(wǎng)絡(luò )會(huì )搜尋到一個(gè)安靜的通道，在那里建立通訊并成功傳輸。如果硬件支持直接序列擴頻(DSSS)傳輸，當檢測到干擾時(shí)，協(xié)議將切換至該模式，并開(kāi)始尋找一個(gè)比較安靜的通道。這些協(xié)議不遵循任何IEEE標準，他們代碼小并優(yōu)化，專(zhuān)門(mén)致力于功耗和封包開(kāi)銷(xiāo)要求嚴格的應用。

低功率藍牙
藍牙技術(shù)是一種短距離通信系統，它意欲替換電纜來(lái)連接便攜或固定的電子設備，屬于IEEE標準。藍牙無(wú)線(xiàn)技術(shù)有兩種形式：基本速率(BR)和低功率 (LE)。這兩種系統都包括設備發(fā)現、連接建立和連接機制。低功率藍牙還可以進(jìn)行特色設計，可以設計出比BR藍牙更低功耗、更低復雜性、以及更低成本的產(chǎn)品。低功率系統也可應用于的數據率較低，具有較低的占空比的案例。使用這兩個(gè)系統的設備可以互相通訊。

成本
無(wú)線(xiàn)HID市場(chǎng)對價(jià)格要求是相當嚴格的。無(wú)線(xiàn)HID產(chǎn)品開(kāi)發(fā)人員往往關(guān)心的是要選擇一種低成本的單片機作為他們應用的射頻基帶控制器。這個(gè)單片機還需要有足夠的閃存來(lái)儲存無(wú)線(xiàn)協(xié)議棧。因為低功率藍牙是一個(gè)標準、堆疊代碼的大小遠比為專(zhuān)有協(xié)議大得多，從而要求更大閃存，致使成本增加。無(wú)線(xiàn)HID市場(chǎng)一直被專(zhuān)有協(xié)議占有，因為他們協(xié)議棧小。然而，專(zhuān)有網(wǎng)絡(luò )需要外部的橋連接到PC 或主機，以便他們可以和網(wǎng)絡(luò )中的其他設備通話(huà)。藍牙技術(shù)在大部分的個(gè)人電腦和手機比較常見(jiàn)，這些設備會(huì )有一個(gè)完整的雙模式藍牙橋 (BR和LE)，以后將不需要外部的橋。低功率藍牙和我們今天所用的藍牙不同，它是一種“always-off”技術(shù)。這使得使用低功率藍牙的設計可以用一個(gè)小紐扣電池就可以實(shí)現多年的電池壽命。藍牙技術(shù)是由藍牙SIG（特殊興趣小組）維護的一種標準，任何藍牙相關(guān)設備都需要經(jīng)過(guò)這個(gè)認證委員會(huì )認證，這就進(jìn)一步增加了開(kāi)發(fā)成本。

功耗
專(zhuān)有射頻芯片制造商通常在datasheet上不完全披露功耗。他們會(huì )指出功耗取決于占空比。因此開(kāi)發(fā)人員必須使用實(shí)驗板的設置和他們各自的固件測試環(huán)境來(lái)獲得自己想要的功率消耗數據。由于功耗是HID市場(chǎng)的主要關(guān)注點(diǎn)，低功耗藍牙標準規定：在一個(gè)最大3 ms的數據傳輸應用一般不會(huì )超過(guò)20mA的峰值電流，在紐扣電池應用中不會(huì )超過(guò)15mA。使用低功率藍牙無(wú)線(xiàn)技術(shù)的設備只需要消耗其他藍牙產(chǎn)品能量的一小部分。在許多情況下，低功率藍牙產(chǎn)品將會(huì )僅需要一顆紐扣電池就可以工作一年多的時(shí)間而不需要充電。例如，用這種方式，就可以用小的傳感器與其他設備（如手機或PDA）持續工作和交流?；诘凸β仕{牙實(shí)現的小型設備（例如手表和運動(dòng)傳感器）將會(huì )擁有很多的低功耗的優(yōu)點(diǎn)。支持藍牙和低功率藍牙的雙模實(shí)現，將使用部分現有藍牙的硬件，共享物理收發(fā)器件和天線(xiàn)。雙模式的實(shí)現方式會(huì )和典型的藍牙技術(shù)基本保持同樣的功率消耗。

可靠性和安全性
防止其它技術(shù)干擾或共享相同頻段的能力非常重要，因為這也影響到用戶(hù)的性能。在2.4GHz干擾的魯棒性，是指能夠可靠地與802.11b/g、藍牙、 WirelessUSB、以及一系列的無(wú)繩電話(huà)和微波爐共存。只有一個(gè)提供了良好的通道跳躍方法論的智能的編碼方式可以保證數據的可靠性。一些發(fā)射器件例如CYRF6936可以使用直接序列擴頻(DSSS)和跳頻擴頻(FHSS)傳輸，低功率藍牙只采用了跳頻技術(shù)，這和所有版本的藍牙技術(shù)相同。DSSS可以確保數據的魯棒性，一旦干擾太大了FHSS允許無(wú)線(xiàn)電信號馬上跳到一個(gè)新頻道。沒(méi)有DSSS也是藍牙相對于專(zhuān)有協(xié)議一個(gè)缺點(diǎn)，因為專(zhuān)有射頻可以并存的在噪聲環(huán)境中，不必非得跳到一個(gè)比較安靜的頻道。低功率藍牙提供完整的AES-128加密技術(shù)，可以對數據包進(jìn)行強大的加密和驗證。與此同時(shí)，這消耗了大量的數據包。為了確保系統的穩定和可靠，開(kāi)發(fā)著(zhù)要根據設備的硬件能力和應用要求的安全級別來(lái)選擇現有的專(zhuān)有協(xié)議還是標準協(xié)議如藍牙。對于某些應用場(chǎng)合，如無(wú)線(xiàn)鼠標，安全不是必需的。

覆蓋范圍
無(wú)線(xiàn)HID應用通常在一個(gè)比較短的距離通訊，因此超過(guò)十米的需要是非常罕見(jiàn)的。如果希望的通訊距離比較長(cháng)，設備的功耗也將增加。專(zhuān)用射頻協(xié)議提出，使用外部功率放大器，可以支持更遠的距離，低功率藍牙規格提出了超過(guò)100米的可能范圍。

速度/吞吐量
低功率藍牙支持1Mbps的數據速率，這足以滿(mǎn)足無(wú)線(xiàn)HID的應用。然而，由于額外的開(kāi)銷(xiāo)，實(shí)際吞吐量?jì)H僅是256kbps。專(zhuān)用協(xié)議的優(yōu)點(diǎn)在于，根據應用需求限制了包開(kāi)銷(xiāo)，這就可以支持更高的吞吐量。對于一些應用，例如游戲鼠標，音頻應用，和觸摸應用，這些應用需要大于250 kbs的有效吞吐量應用，低功率藍牙的實(shí)現方式就不如專(zhuān)有標準了。

拓撲結構
多數無(wú)線(xiàn)HID應用要求點(diǎn)對點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò ) (例如，無(wú)線(xiàn)鍵盤(pán)或鼠標)或星型網(wǎng)絡(luò )(例如，傳感器網(wǎng)絡(luò ))。專(zhuān)用協(xié)議將協(xié)議優(yōu)化為一個(gè)特別的拓撲結構?；谒玫膯纹瑱C和系統里從設備尋址方式，可以連接在一個(gè)網(wǎng)絡(luò )的從設備數目是有限的。低功率藍牙技術(shù)優(yōu)化為一對一的連接，同時(shí)也允許一對多的星型拓樸結構連接。通過(guò)使用快速連接和斷開(kāi)，數據可以像網(wǎng)狀拓撲結構一樣移動(dòng)，但在復雜性上，不需要網(wǎng)狀拓撲那樣維持網(wǎng)絡(luò )。例如，一個(gè)使用集成藍牙BR /LE電話(huà)的用戶(hù)可以通過(guò)腕表記錄脈搏，可以通過(guò)鞋記錄消耗的卡路里，可以通過(guò)帽子記錄外界溫度，前提是如果所有這些電路集成到藍牙LE。

認證
藍牙專(zhuān)家組(SIG)是監控藍牙標準的發(fā)展以及給制造商發(fā)放許可證和商標的團體。為了得到許可，公司就必須成為藍牙SIG的成員。SIG同時(shí)也負責管理 SIG認證程序，對于任何使用藍牙的產(chǎn)品來(lái)說(shuō)認證都是必需的，并且要預先得到藍牙技術(shù)知識產(chǎn)權許可。SIG的主要任務(wù)是發(fā)布藍牙規格，保護藍牙商標以及推廣藍牙無(wú)線(xiàn)技術(shù)。關(guān)于認證過(guò)程簡(jiǎn)介，包括認證步驟，認證類(lèi)型和費用，都公布在藍牙SIG公眾門(mén)戶(hù)網(wǎng)站。在使用專(zhuān)有協(xié)議的情況下，許多廠(chǎng)商都提供了自己的認證的規范，這方面幾乎是免費的，所以產(chǎn)品開(kāi)發(fā)人員可以在自己的終端評估協(xié)議，開(kāi)發(fā)費用和時(shí)間都可以減到最小。

應用
使用專(zhuān)有射頻，任何應用都可以很容易地修改協(xié)議。使用這種方法，可以通過(guò)改變輸出功率水平，應用就可以修改以便適應環(huán)境，工作在具有更好魯棒性的通訊方式下，或可以移動(dòng)到一個(gè)比較安靜的環(huán)境來(lái)通訊。

在市場(chǎng)遍布窄帶、本地、專(zhuān)有技術(shù)等連接解決方案的情況下，低功率藍牙技術(shù)本身有其不同之處:
*易實(shí)現和多廠(chǎng)商的互通性
*超低的峰值電流，平均功耗和空閑模式功耗
*低成本集成
*功率可控
*接口阻抗

低功率藍牙技術(shù)擴展了個(gè)人區域網(wǎng)絡(luò )(PAN)，包括小紐扣電池供電的藍牙設備。使用低功耗技術(shù)，體育衛生保健設備，人機界面(HID)和其它娛樂(lè )設備，都可以增強優(yōu)勢。這項技術(shù)可以集成到很多產(chǎn)品，如手表，無(wú)線(xiàn)鍵盤(pán)、游戲和運動(dòng)傳感器，它可以和host設備（例如移動(dòng)電話(huà)與個(gè)人電腦）進(jìn)行連接與通訊。

低功率藍牙技術(shù)的其他標志特性還包括成本低，范圍廣。既然新的低功率藍牙芯片是如此的小，而且也不貴，這就加大了實(shí)施到日常消費產(chǎn)品的可行性。例如，可以把它放在鞋底來(lái)追蹤一個(gè)人的速度、距離、步伐和其他統計資料。使用一個(gè)低功率無(wú)線(xiàn)標準的產(chǎn)品，例如低功率藍牙芯片嵌入到鞋底，電池的壽命超過(guò)一雙跑鞋的平均壽命，那么它能提供更長(cháng)時(shí)間的服務(wù)。

雖然低功率藍牙對于很多種應用都看起來(lái)像一種不錯的技術(shù)，但是在HID應用采用這個(gè)技術(shù)之前，有一些存在的問(wèn)題需要行業(yè)解決。當然它不需要外部的橋，這是它的優(yōu)點(diǎn)。但是，當電子行業(yè)準備集成雙模式藍牙收發(fā)時(shí)就會(huì )遇到問(wèn)題。把雙模式/單模式收發(fā)集成到host，也同樣會(huì )產(chǎn)生藍牙技術(shù)和WiFi、 WiMax、典型藍牙設備、以及其他2.4 GHz技術(shù)共處的問(wèn)題。這對開(kāi)發(fā)人員提供完整方案來(lái)說(shuō)，可能是一個(gè)巨大的挑戰。那時(shí)候，暫時(shí)的解決辦法就是用一個(gè)外部橋和pc一起工作。由于低功率藍牙仍是在開(kāi)發(fā)階段，所有應用輪廓都還沒(méi)有最終確定，這將在相當長(cháng)的時(shí)間內影響低功率藍牙應用到無(wú)線(xiàn)HID領(lǐng)域。

雖然藍牙技術(shù)是一個(gè)標準的協(xié)議，但它在綁定方法上的缺點(diǎn)也是不可避免的。例如，假設一個(gè)教室環(huán)境，這里有許多學(xué)生都使用藍牙鼠標，并且所有人都試圖讓他們的鼠標同時(shí)綁定在各自的pc機上。這時(shí)候可能發(fā)生交叉捆綁的情況，一只鼠標跟別的電腦捆綁了而不是在應該捆綁的那個(gè)。那些專(zhuān)有協(xié)議例如賽普拉斯半導體的方案就會(huì )避免這些問(wèn)題，可以使用KISS (Keep It Simple Solutio)綁定，廠(chǎng)商綁定，和自動(dòng)綁定技術(shù)。如果開(kāi)發(fā)人員試圖使用低功率藍牙用到這類(lèi)HID應用的話(huà)，他們需要屬于自己的綁定方法。

就像任何其他產(chǎn)品一樣，適應應用是成功的關(guān)鍵。低功率藍牙具備低成本、低能耗的特點(diǎn)，似乎在無(wú)線(xiàn)HID市場(chǎng)是一個(gè)好的方案。然而，當低功率藍牙吸引許多公司進(jìn)入無(wú)線(xiàn)HID市場(chǎng)的同時(shí)，它又不一定能成功，除非它實(shí)現了并且超過(guò)了專(zhuān)有協(xié)議早在十年前就已經(jīng)成功實(shí)現了的特性。