全新的低功耗藍(lán)牙技術(shù) - 全面揭秘藍(lán)牙4.0技術(shù)細(xì)節(jié)

　　Bluetooth 4.0 低耗電模式在應(yīng)用模式上的改變和提升

　　低功耗藍(lán)牙的前身其實(shí)是 NOKIA開發(fā)的Wibree技術(shù)，本是作為一項(xiàng)專為移動(dòng)設(shè)備開發(fā)的極低功耗的移動(dòng)無(wú) 線通信技術(shù)，在被SIG接納并規(guī)范化之后重新命名為Bluetooth Low Energy（后簡(jiǎn)稱低功耗藍(lán)牙）。由于該技術(shù)專為極低電池量的裝置而設(shè)計(jì)，僅通過(guò)普通紐扣電池供電便可確保長(zhǎng)達(dá)一年的正常使用，因此在包括醫(yī)療、工業(yè)控 制、無(wú)線鍵盤、鼠標(biāo)、甚至單音耳機(jī)、無(wú)線遙控器等設(shè)備領(lǐng)域都可得到廣泛應(yīng)用。譬如裝有記步器的運(yùn)動(dòng)鞋、裝有脈搏量測(cè)的運(yùn)動(dòng)手環(huán)等，就可以通過(guò)低功耗藍(lán)牙低 功耗技術(shù)將監(jiān)控信息傳送到記錄器（能是手表或是PDA）上，而不需像標(biāo)準(zhǔn)藍(lán)牙設(shè)備一般需要常常充電。它易于與其它藍(lán)牙技術(shù)整合，既可補(bǔ)足藍(lán)牙技術(shù)在無(wú)線個(gè) 人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)（PAN）的應(yīng)用，也能加強(qiáng)該技術(shù)為小型設(shè)備提供無(wú)線連接的能力。

　　如果說(shuō)Wibree的超低功耗奠定了一個(gè)技術(shù)上的 基礎(chǔ)，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(yīng)用模式，如圖6。因?yàn)榈凸乃{(lán)牙提供了持久的無(wú)線連接且有效擴(kuò)大相關(guān)應(yīng)用產(chǎn)品的射程，在各種傳感器和終端設(shè)備上采集到 的信息被通過(guò)低功耗藍(lán)牙采集到電腦、手表、移動(dòng)電話等具備計(jì)算和處理能力的主機(jī)設(shè)備中，再通過(guò)GPRS、3G、經(jīng)典/高速模式藍(lán)牙或WLAN等傳統(tǒng)無(wú)線網(wǎng) 絡(luò)應(yīng)用與相應(yīng)的Web服務(wù)關(guān)聯(lián)，從而從根本上解決當(dāng)前傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用在模式上的局限性和交互手段匱乏、數(shù)據(jù)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(lán)牙帶來(lái)的應(yīng)用模式的改變

　　必須指出，因?yàn)榈凸乃{(lán)牙在應(yīng)用模式上的革命性提升，將催生的應(yīng)用模式完全無(wú)法進(jìn)行預(yù)估，因此它將拓展出的應(yīng)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(duì)應(yīng)用的準(zhǔn)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(yīng)用

　　根據(jù)Bluetooth SIG發(fā)布的Bluetooth 4.0核心規(guī)范白皮書，Bluetooth 4.0低耗電模式有雙模式和單模式兩種應(yīng)用。低功耗藍(lán)牙的單模式藍(lán)牙的技術(shù)特點(diǎn)技術(shù)綜述藍(lán)牙（Bluetooth）通過(guò)低功率無(wú)線電波傳輸數(shù)據(jù)，其本質(zhì)是 一種支持設(shè)備短距離通信（一般是10m之內(nèi)）的無(wú)線電技術(shù)。其標(biāo)準(zhǔn)是IEEE 802.15，工作在2.402～2.480GHz頻率帶之間，基礎(chǔ)帶寬為1Mb/s。和Wi-Fi、WiMAX等用于局域、城域的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)規(guī)范不同的 是，Bluetooth所定義的應(yīng)用范圍更小一些，它將應(yīng)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(nèi)，卻 容納了包括音頻、互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)通信、文件傳輸?shù)仍趦?nèi)的非常多樣化的應(yīng)用取向，加上強(qiáng)調(diào)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(lán)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(xiàn)無(wú)疑揭示了Bluetooth對(duì)自身核心價(jià)值的反思和回歸。

　　調(diào)節(jié)性跳頻與微微網(wǎng)（Piconet）的原理

　　因?yàn)樗{(lán)牙所用的頻帶仍處于應(yīng)用繁多的2.4G無(wú)線電頻率范圍附近，為達(dá)到最大限度地避免設(shè)備間的相互干擾的目的，藍(lán)牙從實(shí)際的應(yīng)用出發(fā)，將信號(hào)功率設(shè)計(jì) 得非常微弱，僅為手機(jī)信號(hào)的數(shù)千分之一，這樣設(shè)備間的距離就只能保持在約10米范圍內(nèi)，從而避免了和移動(dòng)電話、電視機(jī)等設(shè)備間的相互干擾。

　　藍(lán)牙協(xié)議被設(shè)計(jì)為同時(shí)允許最多八個(gè)藍(lán)牙設(shè)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(nèi)的這些藍(lán)牙設(shè)備之間的相互干擾，這一問(wèn)題 的解決催生了藍(lán)牙協(xié)議最具獨(dú)創(chuàng)性的通信方式—調(diào)節(jié)性跳頻技術(shù)。它定義了79個(gè)獨(dú)立且可隨機(jī)選擇的有效通信頻率，每個(gè)藍(lán)牙設(shè)備都能使用其中任何一個(gè)頻率，且 能有規(guī)律地隨時(shí)跳往另一個(gè)頻率，按協(xié)議規(guī)范，這樣的頻率跳轉(zhuǎn)每秒鐘會(huì)發(fā)生1600次，因此不太可能出現(xiàn)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(xù)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(duì)藍(lán)牙設(shè)備間通訊的影響降低到最小。

　　讓我們?cè)O(shè)想一下兩個(gè)藍(lán)牙設(shè)備 間通訊的過(guò)程，當(dāng)兩個(gè)藍(lán)牙設(shè)備互相靠近時(shí)，它們之間會(huì)發(fā)生電子會(huì)話以交流需求，這一會(huì)話過(guò)程無(wú)需用戶參與，而一旦需求確認(rèn)，設(shè)備間便會(huì)自動(dòng)確認(rèn)地址并組成 一個(gè)被稱為微微網(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(shè)備便可協(xié)商好和諧地隨機(jī)跳頻，以確保彼此間的聯(lián)系，但又不會(huì)對(duì)其它信號(hào)構(gòu)成 干擾，于是藍(lán)牙—雜技演員手里的一個(gè)鋼球就這樣形成了。

　　藍(lán)牙的協(xié)議組成 藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)從制定之初便定義成為個(gè)人區(qū)域內(nèi)的無(wú)線通信制定的協(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(guī)定諸如射頻、基帶、鏈路管理、 服務(wù)發(fā)現(xiàn)、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(guī)定不同藍(lán)牙應(yīng)用（也稱使用 模式）所需的協(xié)議和過(guò)程。

　　圖4： 共享射頻層和獨(dú)立射頻層的雙模式低耗電藍(lán)牙設(shè)計(jì)

　　如圖5，藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)仍采用從下至上的分層式結(jié)構(gòu)，以人機(jī)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(shù)據(jù)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(jī)模式、簡(jiǎn)易的設(shè)備發(fā)現(xiàn)、可靠的點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的數(shù)據(jù)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)線傳輸中，都能通過(guò)低功耗藍(lán)牙傳輸。在雙模式應(yīng)用中，藍(lán)牙低功耗的功能會(huì)整合至現(xiàn)有的傳統(tǒng)藍(lán)牙控制器中，共享傳統(tǒng)藍(lán)牙技 術(shù)已有的射頻和功能，相較于傳統(tǒng)的藍(lán)牙技術(shù)，增加的成本更??；除此之外，制造商可利用升級(jí)版藍(lán)牙低功耗技術(shù)的功能模塊，集成目前的藍(lán)牙3.0高速版本、或 2.1+EDR等傳統(tǒng)藍(lán)牙功能組件，從而改善傳統(tǒng)藍(lán)牙設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸效能。圖4即為藍(lán)牙低功耗技術(shù)的雙模式應(yīng)用功能邏輯拓?fù)鋱D，圖4右邊所示即為通過(guò)整合原有藍(lán)牙技術(shù)的射頻降低了升級(jí)成本。

圖5： 藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)模塊構(gòu)成