藍牙低能耗技術(shù)內幕

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)。