全面揭秘藍(lán)牙4.0技術(shù)細(xì)節(jié)

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

　　本文中，我們將一面體會低功耗藍(lán)牙帶來的全新應(yīng)用模式，一面再次回顧Bluetooth的發(fā)展歷程，你會發(fā)現(xiàn)藍(lán)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(yán)。

　　當(dāng)前的家庭客廳系統(tǒng)，點對點架構(gòu)已經(jīng)帶來糾纏不清的線纜和混亂，如果我們還想把游戲機、數(shù)碼相機、DV、耳機、麥克風(fēng)還有移動電話都連接起來，可能還得考慮增加USB、1394、SPDIF以及各種充電器和電源插座線纜。

　圖1：點對點結(jié)構(gòu)帶來線纜連接問題

　　有沒有一種通用的、不需要用戶干預(yù)的簡便方法把各種電子設(shè)備連接在一起，而又不至于被線纜淹沒呢？在Wi-Fi之外，大家現(xiàn)在已經(jīng)比較熟悉的“藍(lán)牙”正是這樣一種連接技術(shù)，它被設(shè)計為面向個人和家庭的無線式自動連接，其三大核心特點便是無線、低成本和自動化。

　　圖2：藍(lán)牙的無線連接模式

　　你是通過什么途徑來了解并熟悉藍(lán)牙技術(shù)的？我想對于絕大部分用戶而言，無非是兩個途徑—藍(lán)牙耳機或者手機的藍(lán)牙功能。也許你知道如何用藍(lán)牙功能，但是你 了解藍(lán)牙技術(shù)嗎？未必！尤其是在洗盡浮華而轉(zhuǎn)重視實用層面的藍(lán)牙4.0技術(shù)發(fā)布之后，藍(lán)牙的應(yīng)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(lán)牙技術(shù)經(jīng)歷了哪些改變和進(jìn)化？藍(lán)牙技術(shù)的基本原理是什么？當(dāng)然還有大家最關(guān)心的藍(lán)牙4.0到底能給我們帶來什么？我們即將為您一一解答。

　　Bluetooth 4.0 協(xié)議組成

　　和當(dāng)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綜合協(xié)議規(guī)范，還提出了低功耗藍(lán)牙、經(jīng)典藍(lán)牙和高速藍(lán)牙三種模式。其中高速藍(lán)牙主攻數(shù)據(jù)交換與傳輸，經(jīng)典 藍(lán)牙則以信息溝通、設(shè)備連接為重點，藍(lán)牙低功耗顧名思義，以不需占用太多帶寬的設(shè)備連接為主。這三種協(xié)議規(guī)范還能夠互相組合搭配、從而實現(xiàn)更廣泛的應(yīng)用模 式，此外，Bluetooth 4.0還把藍(lán)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單一的接口，讓應(yīng)用系統(tǒng)自己挑選技術(shù)使用，而不是讓消費者進(jìn)行設(shè)備互連時，還要手動選擇各項設(shè)備的連接模式，這一人性化的功 能取向顯然沿襲了藍(lán)牙關(guān)注可用性和實際體驗的設(shè)計思路，三種應(yīng)用模式中，因為經(jīng)典藍(lán)牙和高速藍(lán)牙都只是對舊有藍(lán)牙版本的延續(xù)和強化，下面我們將重點闡述將全新的低功耗藍(lán)牙技術(shù)。

　　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)牙的前身其實是 NOKIA開發(fā)的Wibree技術(shù)，本是作為一項專為移動設(shè)備開發(fā)的極低功耗的移動無 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，僅通過普通紐扣電池供電便可確保長達(dá)一年的正常使用，因此在包括醫(yī)療、工業(yè)控 制、無線鍵盤、鼠標(biāo)、甚至單音耳機、無線遙控器等設(shè)備領(lǐng)域都可得到廣泛應(yīng)用。譬如裝有記步器的運動鞋、裝有脈搏量測的運動手環(huán)等，就可以通過低功耗藍(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，既可補足藍(lán)牙技術(shù)在無線個 人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)（PAN）的應(yīng)用，也能加強該技術(shù)為小型設(shè)備提供無線連接的能力。

　　如果說Wibree的超低功耗奠定了一個技術(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。因為低功耗藍(lán)牙提供了持久的無線連接且有效擴大相關(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 的信息被通過低功耗藍(lán)牙采集到電腦、手表、移動電話等具備計算和處理能力的主機設(shè)備中，再通過GPRS、3G、經(jīng)典/高速模式藍(lán)牙或WLAN等傳統(tǒng)無線網(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)來源少、實時性差等問題，真正讓網(wǎng)絡(luò)步入生活。

　　圖3： 低耗電藍(lán)牙帶來的應(yīng)用模式的改變

　　必須指出，因為低功耗藍(lán)牙在應(yīng)用模式上的革命性提升，將催生的應(yīng)用模式完全無法進(jìn)行預(yù)估，因此它將拓展出的應(yīng)用市場絕不會是一個成熟的利基市場，而將是一片真正意義上的新領(lǐng)域，只要有對應(yīng)用的準(zhǔn)確把握和合理的理念，誰都可能在這個領(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)特點技術(shù)綜述藍(lán)牙（Bluetooth）通過低功率無線電波傳輸數(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)用鎖定在一個以個人為單位的人域網(wǎng)（PAN）領(lǐng)域，也就是個人起居活動范圍的方圓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，加上強調(diào)自動化和易操作性，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)展過程中一度曾偏離了這一主旨，但Bluetooth 4.0的出現(xiàn)無疑揭示了Bluetooth對自身核心價值的反思和回歸。

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

　　因為藍(lán)牙所用的頻帶仍處于應(yīng)用繁多的2.4G無線電頻率范圍附近，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)牙從實際的應(yīng)用出發(fā)，將信號功率設(shè)計 得非常微弱，僅為手機信號的數(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)，從而避免了和移動電話、電視機等設(shè)備間的相互干擾。

　　藍(lán)牙協(xié)議被設(shè)計為同時允許最多八個藍(lán)牙設(shè)備互連，因此協(xié)議需要解決的另一個問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，這一問題 的解決催生了藍(lán)牙協(xié)議最具獨創(chuàng)性的通信方式—調(diào)節(jié)性跳頻技術(shù)。它定義了79個獨立且可隨機選擇的有效通信頻率，每個藍(lán)牙設(shè)備都能使用其中任何一個頻率，且 能有規(guī)律地隨時跳往另一個頻率，按協(xié)議規(guī)范，這樣的頻率跳轉(zhuǎn)每秒鐘會發(fā)生1600次，因此不太可能出現(xiàn)兩個發(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)時間也僅不到千分之一秒，因此該技術(shù)同時還將外界干擾對藍(lán)牙設(shè)備間通訊的影響降低到最小。

　　讓我們設(shè)想一下兩個藍(lán)牙設(shè)備 間通訊的過程，當(dāng)兩個藍(lán)牙設(shè)備互相靠近時，它們之間會發(fā)生電子會話以交流需求，這一會話過程無需用戶參與，而一旦需求確認(rèn)，設(shè)備間便會自動確認(rèn)地址并組成 一個被稱為微微網(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)商好和諧地隨機跳頻，以確保彼此間的聯(lián)系，但又不會對其它信號構(gòu)成 干擾，于是藍(lán)牙—雜技演員手里的一個鋼球就這樣形成了。

　　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人區(qū)域內(nèi)的無線通信制定的協(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)議和過程。

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

　　如圖5，藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計仍采用從下至上的分層式結(jié)構(gòu)，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(shù)據(jù)流的過濾和功能組件是一個高度集成的裝置，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、簡易的設(shè)備發(fā)現(xiàn)、可靠的點對多點的數(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，并確保在無線傳輸中，都能通過低功耗藍(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)，增加的成本更小；除此之外，制造商可利用升級版藍(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右邊所示即為通過整合原有藍(lán)牙技術(shù)的射頻降低了升級成本。

圖5： 藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)模塊構(gòu)成

　　低功耗藍(lán)牙為何如此省電？根據(jù)SIG官方發(fā)布會的資料，它和經(jīng)典藍(lán)牙技術(shù)相比，主要的改變集中體現(xiàn)在待機功耗的減少、高速連接的實現(xiàn) 和峰值功率的降低三個方面。待機功耗的下降 傳統(tǒng)藍(lán)牙設(shè)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(tǒng)藍(lán)牙技術(shù)動輒采用16～32個頻道進(jìn)行廣播不無關(guān)系，而低功耗藍(lán)牙僅使用了3個廣播通 道，且每次廣播時射頻的開啟時間也由傳統(tǒng)的22.5ms減少到0.6～1.2ms，這兩個協(xié)議規(guī)范上的改變顯然大大降低了因為廣播數(shù)據(jù)導(dǎo)致的待機功耗；此 外低功耗藍(lán)牙設(shè)計了用深度睡眠狀態(tài)來替換傳統(tǒng)藍(lán)牙的空閑狀態(tài)，在深度睡眠狀態(tài)下，主機長時間處于超低的負(fù)載循環(huán)（DutyCycle）狀態(tài)，只在需要運作 時由控制器來啟動，因主機較控制器消耗更多的能源，因此這樣的設(shè)計也節(jié)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(shù)據(jù)發(fā)送間隔 時間也增加到0.5～4s，傳感器類應(yīng)用程序發(fā)送的數(shù)據(jù)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，因此此時的射頻能耗幾乎可以忽略不計，綜合以上因素，低功耗藍(lán)牙的待機功耗較傳統(tǒng)藍(lán)牙大大減少。

　　高速連接的實現(xiàn) 要明白這一過程，我們必須先介紹一下藍(lán)牙設(shè)備和主機設(shè)備的連接步驟。

　　第一步：通過掃描，試圖發(fā)現(xiàn)新設(shè)備

　　第二步：確認(rèn)發(fā)現(xiàn)的設(shè)備沒有而已軟件，也沒有處于鎖定狀況

　　第三步：發(fā)送IP地址

　　第四步：收到并解讀待配對設(shè)備發(fā)送過來的數(shù)據(jù)

　　第五步：建立并保存連接

　　按照傳統(tǒng)的藍(lán)牙協(xié)議的規(guī)范，若某一藍(lán)牙設(shè)備正在進(jìn)行廣播，則它不會響應(yīng)當(dāng)前正在進(jìn)行的設(shè)備掃描，而低功耗藍(lán)牙協(xié)議規(guī)范允許正在進(jìn)行廣播的設(shè)備連接到正在 掃描的設(shè)備上，這就有效避免了重復(fù)掃描，而通過對連接機制的改善，低功耗藍(lán)牙下的設(shè)備連接建立過程已可控制在3ms內(nèi)完成，同時能以應(yīng)用程序迅速啟動鏈接 器，并以數(shù)毫秒的傳輸速度完成經(jīng)認(rèn)可的數(shù)據(jù)傳遞后并立即關(guān)閉連結(jié)，而傳統(tǒng)藍(lán)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(yīng)協(xié)議）層的連接建立時間則更長。

　　藍(lán)牙低功耗協(xié)議還對拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，通過在每個從設(shè)備及每個數(shù)據(jù)包上使用32位的存取 地址，能夠讓數(shù)十億個設(shè)備能被同時連接。此技術(shù)不但將傳統(tǒng)藍(lán)牙一對一的連結(jié)優(yōu)化，同時也利用星狀拓?fù)鋪硗瓿梢粚Χ帱c的連結(jié)。在連接和斷線切換迅速的應(yīng)用場 景下，數(shù)據(jù)能夠在網(wǎng)狀拓?fù)渲g移動，但不至于為了維持此網(wǎng)絡(luò)而顯得過于復(fù)雜，這也有效減輕了連接復(fù)雜性，減少了連接建立時間。降低峰值功率 低功耗藍(lán)牙對數(shù)據(jù)包長度進(jìn)行了更加嚴(yán)格的定義，支持超短（8～27Byte）數(shù)據(jù)封包，并使用了隨機射頻參數(shù)和增加了GSFK調(diào)制索引，這些措施最大限度 地減少了數(shù)據(jù)收發(fā)的復(fù)雜性；此外低功耗藍(lán)牙還通過增加調(diào)變指數(shù)，并采用24位的CRC（循環(huán)冗余檢查）確保封包在受干擾時具有更大的穩(wěn)定度，低功耗藍(lán)牙的 射程增加至100m以上，以上措施結(jié)合藍(lán)牙傳統(tǒng)的跳頻原理，有效降低了峰值功率。

　　總結(jié)與展望

　　筆者認(rèn)為Bluetooth的靈魂在于應(yīng)用而非速度，如何讓應(yīng)用的門檻更低，讓上手更容易，讓設(shè)備自動化程度更高，需要用戶介入的過程越少，使用者的感 受越好，數(shù)據(jù)的可靠程度越高，移動的便利性越強，那么它就是Bluetooth該努力的方向，讓我們一起祝福Bluetooth有一個更好的將來吧。