使用藍(lán)牙5增強(qiáng)信標(biāo)

Joe?Tillison? （Silicon?Labs公司）
摘? 要：討論了藍(lán)牙5中添加的廣告擴(kuò)展（advertising extension）和其他重要功能，這些功能可用于構(gòu)建具有 擴(kuò)展功能的第二代信標(biāo)，從而支持更多功能豐富的接近感知（proximity-aware）應(yīng)用。 

關(guān)鍵詞：信標(biāo)；藍(lán)牙5；廣告擴(kuò)展；接近感知

0  引言 

低功耗藍(lán)牙（Bluetooth LE）信標(biāo)已經(jīng)在市場上 部署了幾年，并且已成為接近感知應(yīng)用的領(lǐng)先技術(shù)選 擇。Bluetooth LE的低功耗和簡單性，再加上其在智 能手機(jī)中的普遍使用，可實現(xiàn)低成本、電池供電的信 標(biāo)，并使信標(biāo)能廣泛應(yīng)用于智能手機(jī)應(yīng)用程序中基于 位置的服務(wù)。到目前為止，Bluetooth LE信標(biāo)依靠的是 最初在藍(lán)牙4.0中定義的廣告包結(jié)構(gòu)，信標(biāo)內(nèi)容被填充 到有限的31字節(jié)有效負(fù)載中。藍(lán)牙5為Bluetooth LE引 入了幾個主要增強(qiáng)功能，包括新PHY層和廣告擴(kuò)展。 這些增強(qiáng)功能大大增加了廣告機(jī)制的功能性和靈活 性，包括更大的廣告包容量。 

在本文中，我們將簡要回顧信標(biāo)基礎(chǔ)知識，然后 討論這些新的藍(lán)牙5功能以及它們?nèi)绾问沟诙艠?biāo) 具有更完整、更豐富的內(nèi)容。本文推薦參考2016年無 線大會（Wireless Congress 2016）的介紹性文章，標(biāo) 題為《使用低功耗藍(lán)牙技術(shù)開發(fā)信標(biāo)》^[1]。

1  信標(biāo)基礎(chǔ)概述 

1.1 什么是信標(biāo)以及如何使用？ 

一般而言，信標(biāo)是一種小型、廉價的無線設(shè)備， 通常由電池供電，使用低功耗藍(lán)牙技術(shù)來廣播其存 在。信標(biāo)通常被描述為燈塔的射頻版本，反復(fù)廣播其 范圍內(nèi)其他設(shè)備可以識別的標(biāo)識符。智能手機(jī)或平板 電腦可以使用信標(biāo)的標(biāo)識符來觸發(fā)基于信標(biāo)接近度的操作。接近度的概念非常重要，因為信標(biāo)不會直接提 供有關(guān)其確切物理位置的信息；接收信標(biāo)的設(shè)備只會 知道它在信標(biāo)附近。此外，信標(biāo)也是可以移動的。 

需要注意的是，藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟（SIG）沒有定義 信標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)。取而代之的是有來自大型操作系統(tǒng)提供商 的各種信標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)，例如蘋果公司的iBeacon和Google的 開源Eddystone，并且還有許多用于封閉系統(tǒng)的專有信 標(biāo)格式。 

1.2 兩種信標(biāo)使用模式 

信標(biāo)通常用于兩種情況。上面描述了第一種，也 是最常見的，即通過智能手機(jī)/平板電腦檢測放置在固 定位置或連接到可移動對象上的信標(biāo)，并根據(jù)其接近 度觸發(fā)行為。一個示例是推薦與物理環(huán)境有關(guān)的Web 內(nèi)容，例如顯示公交車站的時刻表。另一個示例是通 過使用特意在大型設(shè)施（如機(jī)場或醫(yī)院）周圍安裝的 信標(biāo)網(wǎng)絡(luò)提供室內(nèi)導(dǎo)航。 

第二種情況是使用固定的掃描器節(jié)點監(jiān)視標(biāo)有信 標(biāo)的對象在通過監(jiān)視區(qū)域時的狀態(tài)。掃描器通常是另 一個網(wǎng)絡(luò)的一部分，該網(wǎng)絡(luò)將這些信標(biāo)ID報告給后臺 應(yīng)用。該模型可應(yīng)用于昂貴工具和設(shè)備的地理圍欄、 計數(shù)牲畜的移動或跟蹤貨物。 

1.3 接近感知示例應(yīng)用 

上述兩種使用場景都依賴于接近感知。在第一種 情況下，用戶的智能手機(jī)接近信標(biāo)。在第二種情況 下，信標(biāo)接近信標(biāo)掃描節(jié)點。在零售和商業(yè)領(lǐng)域都可發(fā)現(xiàn)兩種模式的應(yīng)用。 

iBeacon的最早應(yīng)用專注于零售購物體驗。遍布整 個商店的信標(biāo)允許相關(guān)應(yīng)用程序根據(jù)用戶的購買歷史 和在商店中的位置向用戶顯示個性化消息。一些商店 通過信標(biāo)顯示特價促銷品而吸引路人。如今，大多數(shù) 大型零售商要么正在積極使用信標(biāo)，要么正在現(xiàn)場試 驗中對其進(jìn)行測試以衡量ROI（投資回報率）。 

其他應(yīng)用包括銷售終端系統(tǒng)，例如自動售貨機(jī)。 舉例來說，當(dāng)顧客接近啟用信標(biāo)的自動售貨機(jī)時，該 顧客的智能手機(jī)可以顯示指向網(wǎng)站的鏈接，該網(wǎng)站會 建議喜歡的商品或安全付款選項菜單。類似的應(yīng)用案 例正在快餐速遞中試用。如果顧客已經(jīng)使用餐廳的應(yīng) 用程序預(yù)先選擇了他們的訂單，則信標(biāo)允許該應(yīng)用程 序檢測他們何時到達(dá)餐廳以及停車的位置，以便準(zhǔn)備 餐食。 

信標(biāo)的商業(yè)用途也正在蓬勃發(fā)展。如上所述， 信標(biāo)可用于跟蹤和管理重要資產(chǎn)，例如昂貴的電動 工具。具有信標(biāo)功能的工具可以定期廣播“我在這 里”，以便庫存管理系統(tǒng)能夠確定它何時位于工具箱 中、車間中，還是根本不在范圍內(nèi)。由于所有信標(biāo)都 可以設(shè)計為同時支持常規(guī)Bluetooth LE數(shù)據(jù)服務(wù)（基于連接），因此除了信標(biāo)本身以外，它們還可以合并其 他有用的功能，例如，庫存系統(tǒng)可以讀取工具的電池 狀態(tài)、工作時間和電機(jī)性能歷史記錄。這對于管理工 具的利用率和使用壽命具有顯著的意義。某些后臺系 統(tǒng)甚至可以通過使用另一位用戶收集的信標(biāo)數(shù)據(jù)，在 所有者的范圍之外找到加標(biāo)簽的資產(chǎn)。 

隨著藍(lán)牙m(xù)esh在商業(yè)照明應(yīng)用中的普及，具有吸 引力的信標(biāo)新應(yīng)用正在興起。照明供應(yīng)商開始意識到 在每個燈具中集成基于mesh的照明控件和集成信標(biāo) （或信標(biāo)掃描器）以提供其他服務(wù)的協(xié)同效應(yīng)，例如 室內(nèi)導(dǎo)航或跟蹤倉庫中的貨箱或貨盤。

2  使用藍(lán)牙4.x的信標(biāo) 

2.1 Bluetooth Low Energy 4.x廣告包 

Bluetooth LE規(guī)范版本4.x在（2.4～2.5）GHz ISM 頻段中定義了40個2 MHz寬的信道，其中保留了3個用于廣告的信道（信道37、38和39），其他37個是數(shù) 據(jù)信道（0~36）。廣告包和數(shù)據(jù)包都使用具有可變大 小有效載荷的相同格式，并且僅通過所使用的信道來 區(qū)分。廣告包以明碼形式發(fā)送，數(shù)據(jù)信道可以加密。 在4.0版本中，廣告包和數(shù)據(jù)包都具有最大31字節(jié)的有 效負(fù)載。4.2版本將數(shù)據(jù)信道有效負(fù)載增加到255個字 節(jié)，但保持廣告包不變。 

一個被完全利用的廣告包需要花費376 μs進(jìn)行 傳輸。在進(jìn)行廣告廣播時，會在所有3個廣告信道上 發(fā)送相同的包，以增加掃描器接收到其中1個的可能 性。因此，整個廣告事件通常要花費1 ms以上。 

信標(biāo)通過利用Bluetooth LE的廣告信道來廣播已知 的信標(biāo)標(biāo)識符，從而有效工作。它們使用標(biāo)準(zhǔn)的廣告 包格式，但隨后進(jìn)一步對有效負(fù)載進(jìn)行子格式設(shè)置， 以遵循其預(yù)先設(shè)定的信標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)中的預(yù)定義結(jié)構(gòu)。信標(biāo) 標(biāo)識符通常包括通用唯一標(biāo)識符（UUID），該標(biāo)識 符允許將單個信標(biāo)與任何其他信標(biāo)進(jìn)行唯一性區(qū)分。 

在傳統(tǒng)的Bluetooth LE應(yīng)用中，可連接的廣告包 會提供標(biāo)識廣告節(jié)點的信息，并在其后跟隨一個偵聽 周期，在此期間掃描器可以請求訪問該節(jié)點的數(shù)據(jù)。 相比之下，信標(biāo)通常使用不可連接的廣告，廣播但從 不偵聽，因此它們在廣告包自身提供了所有有用的信 息。同時支持信標(biāo)和其他服務(wù)的混合設(shè)備可以交錯可 連接廣告包和不可連接包。傳輸?shù)陌愋陀蒔DU標(biāo)頭 中的PDU類型字段標(biāo)識，這是在保持向后兼容性的同 時添加藍(lán)牙5擴(kuò)展廣告功能的關(guān)鍵。 

2.2 挑戰(zhàn)與局限 

Bluetooth LE 4.x版本信標(biāo)的最大限制是較短的廣 告包長度。由于僅使用31字節(jié)的數(shù)據(jù)有效載荷，4.x 版本廣告包限制了信標(biāo)可以提供的信息量。蘋果的 iBeacon使用此有限的有效載荷來提供唯一的信標(biāo)ID。 Google的URIBeacon使用它來廣播指向Internet資源的 壓縮URL，Eddystone信標(biāo)使用多種不同的幀類型來滿 足各種信標(biāo)用例的需求。 

另一個挑戰(zhàn)來自創(chuàng)建支持多種格式的通用信標(biāo) 的需求。假設(shè)有人想同時支持iBeacon和EddystoneUID，并且可能需要第三種專有格式的健康數(shù)據(jù)信標(biāo)，而又不必使用3個不同的物理信標(biāo)。想達(dá)到此目 的，設(shè)備需要分別對每個不同的信標(biāo)進(jìn)行廣播，并交 錯每個不同的格式。這樣可以從單個物理設(shè)備成功創(chuàng) 建多個虛擬信標(biāo)，但是由于交錯是由活動處理器在應(yīng) 用級別進(jìn)行管理的，因此會在有限的電池資源上造成 更快的消耗。 

覆蓋范圍也可能是一個限制。在零售商店等密集 的信標(biāo)環(huán)境中，短距離是可取的，因為它為接近服務(wù) 提供了更好的準(zhǔn)確性。但是某些應(yīng)用需要更遠(yuǎn)的范 圍，例如大型大學(xué)、公司園區(qū)或機(jī)場。 

Bluetooth LE本身的成功是另一個新出現(xiàn)的挑戰(zhàn)。 這3個廣告信道變得越來越擁擠。在使用藍(lán)牙m(xù)esh的 環(huán)境中，這種情況尤其嚴(yán)重，藍(lán)牙m(xù)esh使用3個廣告 信道進(jìn)行所有網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)通信。

3  藍(lán)牙5增強(qiáng)功能 

藍(lán)牙5對低功耗標(biāo)準(zhǔn)的幾個要素進(jìn)行了增強(qiáng)，包 括首次為LE無線電提供了新的PHY定義。它還為跳頻 算法添加了替代信道選擇方案，提供了更高的發(fā)射功 率，并允許對廣告機(jī)制進(jìn)行多次改變，這些統(tǒng)稱為廣 告擴(kuò)展（Advertising Extension）功能。 所有這些增強(qiáng) 功能旨在保持與4.0版本標(biāo)準(zhǔn)的向后兼容性。 

1）2個新PHY 

添加了2個新的物理層定義，即以2 Mbps傳輸?shù)?LE 2M PHY和以125 kbps或500 kbps傳輸?shù)腖E Coded PHY。LE 2M PHY將先前的1 Mbps數(shù)據(jù)速率提高了1 倍，這是4.0版本中原始Bluetooth LE規(guī)范的一部分。 由此產(chǎn)生的更高吞吐量可為空中傳輸大量數(shù)據(jù)（例如 固件更新）的應(yīng)用提供顯著改善的用戶體驗。較高 的數(shù)據(jù)速率以射頻范圍為代價，覆蓋范圍降低了約 20％，但對功耗產(chǎn)生了有益的影響（因為無線電廣播 時間更短）。 

顧名思義，LE Coded PHY使用附加編碼和前向 糾錯功能來改善接收器端的可靠信號接收。使用2種 可選的編碼方案，有效地擴(kuò)展了1M PHY范圍到之前 的2~4倍。然而，更遠(yuǎn)的范圍是以吞吐率為代價的， 這是因為編碼器需要將每個數(shù)據(jù)位轉(zhuǎn)換為多個符號來進(jìn)行射頻傳輸。由于無線電的廣播更長，因此Coded PHY也增加了功耗。 

2）10倍發(fā)射功率 

在藍(lán)牙5之前，Bluetooth LE發(fā)射功率被限制為最 大10 mW（+10 dBm），而在藍(lán)牙5的情況下，最大發(fā) 射功率增加到100 mW（+20 dBm）。但是，應(yīng)該指出 的是，在某些地區(qū)，尤其是歐盟國家，如果不使用藍(lán) 牙5中添加的新信道選擇算法（CSA＃2），則無法使 用+20 dBm。CSA＃2對自適應(yīng)FHSS算法強(qiáng)制使用最 小信道數(shù)，以確保射頻功率頻譜密度保持在規(guī)定限值 以下。這2個規(guī)格的聯(lián)合增強(qiáng)作用使Bluetooth LE發(fā)射 器的發(fā)射功率達(dá)到之前允許的10倍，覆蓋范圍達(dá)到原 始Bluetooth LE規(guī)范的2倍以上。 

3）廣告擴(kuò)展 

藍(lán)牙5對從Bluetooth LE 4.0版本以來采用的簡單 廣告包進(jìn)行了實質(zhì)性增強(qiáng)，其中包括： 

● 次廣告信道（Secondary Advertising Channel）； 

● 廣告包鏈（Advertising Packet Chaining）； 

● 廣告數(shù)據(jù)集（Advertising Data Set）； 

● 周期廣告（Periodic Advertising）； 

● 高占空比廣告（High Duty Cycle Advertising）。 

傳統(tǒng)的廣告包與數(shù)據(jù)包保持相同的結(jié)構(gòu)，最大 數(shù)據(jù)有效載荷為31字節(jié)。但是，現(xiàn)在將3個原始廣 告信道定義為“主廣告信道”（Primary Advertising Channel），除了3個廣告信道之外，37個數(shù)據(jù)信道也 可以用于廣告。這些被定義為次廣告信道。次廣告信 道可以承載更大的數(shù)據(jù)有效載荷，最大254字節(jié)，并 可以使用任何PHY，包括新的2 M和Coded PHY。 

所有Bluetooth LE廣告活動仍然從3個主廣告信道 開始。但是，為了實現(xiàn)增強(qiáng)的廣告功能，同時保持向 后兼容性，添加了新的廣告PDU類型，其中包括一 種用于主廣告信道上的新型廣告包類型。這個新包很 短，僅包含1個標(biāo)頭，該標(biāo)頭指示將在次廣告信道上 提供其余數(shù)據(jù)（使用新的擴(kuò)展包格式）。它包含1個 指針，該指針指定將使用哪個信道和PHY，以及何 時發(fā)送新包。這種安排提供了額外的好處，不僅支持 更大的廣告包，而且還分擔(dān)了來自3個主廣告信道的流量。 

用于次廣告信道的較大廣告包可以包括指向另一 個信道上的后續(xù)廣告包的指針（使用同一PHY）。這 被稱為廣告包鏈，它允許創(chuàng)建甚至大于254字節(jié)的廣 告有效載荷。 

廣告數(shù)據(jù)集的添加允許Bluetooth LE鏈路層交錯多 個廣告事件，每個事件具有不同的廣告有效負(fù)載集， 且無需主機(jī)處理器參與。這些廣告事件中的每一個都 是Bluetooth LE狀態(tài)機(jī)中廣告狀態(tài)的單獨實例，并且每 個數(shù)據(jù)集可以具有不同的廣告參數(shù)（PHY、包格式、 廣告間隔、功率等級等）。這允許單個物理信標(biāo)更優(yōu) 雅地支持遵循不同標(biāo)準(zhǔn)的多種類型的信標(biāo)。將交錯任 務(wù)從主機(jī)處理器卸載到鏈路層可以釋放主機(jī)資源，并 可以更有效地支持多種信標(biāo)格式。 

藍(lán)牙5還引入了在次廣告信道上的廣告事件之間 使用確定性計時的功能，這稱為周期廣告。在4.x版本 中，廣告事件之間的間隔包括1個隨機(jī)因素，以確保 任意2個設(shè)備不會因為射頻通道上的循環(huán)沖突而無意 間相互同步。借助周期廣告，掃描設(shè)備可以在已知的 固定定時間隔內(nèi)執(zhí)行掃描，更有效地管理射頻接收器 的活動時間，從而降低功耗。廣告設(shè)備在主廣告信道 上定期地發(fā)送新的廣告事件，該事件指向同步數(shù)據(jù)， 從而允許新的掃描器同步到周期性廣告間隔。周期廣 告在使用信標(biāo)標(biāo)記進(jìn)行資產(chǎn)跟蹤的應(yīng)用中可能會有所 幫助。并非巧合的是，這也為使用Bluetooth LE無線電 以廣播方式傳輸音頻鋪平了道路。 

在藍(lán)牙4.x中，不可連接的廣告事件（nonconnectable advertising event）之間的最小允許間隔 為100 ms，而藍(lán)牙5將其減少到20 ms。這稱為高占空 比不可連接廣告（High Duty Cycle Non-Connectable Advertising）。如我們所討論的^[1]，較短的信標(biāo)間隔可 以提供更好的定位精度和響應(yīng)時間，尤其是對于移動 物體。 

最后，盡管不是直接改變廣告包格式，但藍(lán)牙5 還增加了對掃描事件報告（scan event reporting）的支 持。這允許廣告設(shè)備將掃描請求報告給主處理器（從 另一設(shè)備接收廣告的后續(xù)響應(yīng)）。在肯定表示已成功聽到廣告的指示下，主機(jī)應(yīng)用可以采取適當(dāng)?shù)拇胧?例如在一段時間內(nèi)關(guān)閉后續(xù)的廣告事件。這對于管理 信標(biāo)資產(chǎn)標(biāo)簽中的電池壽命特別有利。

4  高級信標(biāo) 

藍(lán)牙5中的Bluetooth LE廣告機(jī)制實現(xiàn)的廣泛增強(qiáng) 功能為更高級的信標(biāo)打開了無數(shù)的可能性。 

明顯而直接的好處是，信標(biāo)可以利用較大的廣 告包或鏈接的包，從而可以在廣告事件中提供更多 內(nèi)容?？紤]當(dāng)前Eddystone格式的情況，該格式根據(jù) 需要廣播的信息定義了4種不同的幀格式。雖然每種 格式單獨使用仍然有好處，但如果將其中某些格式 組合使用（例如將UID框架與URL和TLM框架組合 在一起），效率也很高。信標(biāo)可以在1個信標(biāo)事件中 發(fā)送其ID、上下文相關(guān)的URL和健康數(shù)據(jù)（溫度、 電池電量、異常數(shù)據(jù)等）。由于不需要URL壓縮， Eddystone-URL信標(biāo)也可從較大的廣告包中受益。使 用常規(guī)URL可以提高網(wǎng)絡(luò)安全性（縮短的URL能夠掩 蓋惡意目標(biāo)地址并繞過內(nèi)容過濾器）。 

前文強(qiáng)調(diào)了另一個好處——使用廣告數(shù)據(jù)集，單 個物理信標(biāo)能夠支持多個信標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)，每個標(biāo)準(zhǔn)具有不 同的數(shù)據(jù)包時序和格式。由于新的PDU類型與傳統(tǒng)的 PDU類型向后兼容，它們甚至可以支持將使用傳統(tǒng)廣 告包（iBeacon，Eddystone，AltBeacon等）的信標(biāo)與 基于新擴(kuò)展廣告的信標(biāo)混合。這意味著基于藍(lán)牙4.0信 標(biāo)的現(xiàn)有應(yīng)用仍可與藍(lán)牙5信標(biāo)兼容，從而在升級到 更多增強(qiáng)功能的同時實現(xiàn)平穩(wěn)過渡。 

通過卸載3個主廣告信道的通信量，利用次廣告 信道的信標(biāo)使得每個使用Bluetooth LE的環(huán)境都將受 益，無論是信標(biāo)還是其他方式。這有助于減少射頻沖 突的可能性并提高可靠性，尤其是在同時使用信標(biāo)和 藍(lán)牙m(xù)esh的設(shè)備中（如前所述），這些設(shè)備專門使用 3個主廣告信道進(jìn)行所有網(wǎng)絡(luò)通信。 

要求遠(yuǎn)距離的信標(biāo)只是較大的信標(biāo)市場的一小部 分，但是由于增加了對更高發(fā)射功率的支持，并增加 了LE Coded PHY，藍(lán)牙5將使信標(biāo)范圍達(dá)到以前的4 倍。這些對于在幾百米而不是幾十米的距離內(nèi)進(jìn)行測量的應(yīng)用非常重要，例 如航空貨運集裝箱跟蹤。 

令人興奮且重要的是，藍(lán)牙5中的廣告擴(kuò)展不需 要升級到新芯片。只要芯片具有足夠的內(nèi)存，沒有在 ROM中預(yù)編程協(xié)議棧，并且支持固件更新，那么只需 在現(xiàn)有硬件上進(jìn)行固件升級即可支持廣告擴(kuò)展。當(dāng)然， 這取決于芯片供應(yīng)商，以及他們是否選擇使用其軟件開 發(fā)工具在現(xiàn)有芯片上支持藍(lán)牙5功能。

5  結(jié)論 

藍(lán)牙SIG宣稱，相比以前版本，藍(lán)牙5實現(xiàn)了2倍的 速度、4倍的范圍、8倍的廣播容量。所有這些增強(qiáng)功能 都使信標(biāo)市場受益，尤其是廣告擴(kuò)展，它極大地擴(kuò)展了 信標(biāo)技術(shù)核心的廣告功能。此外，零售市場之外提供基于接近的服務(wù)的許多應(yīng)用仍處于試驗階段，而普通公眾 需要時間逐漸習(xí)慣于使用這些服務(wù)。盡管如此，市場潛 力仍然很大，因此吸引了眾多競爭者。這將刺激創(chuàng)新的 動力，并借助現(xiàn)已構(gòu)建的模塊去實現(xiàn)藍(lán)牙5高級信標(biāo)， 早期采用者將很快成為市場上的真正“信標(biāo)”。

參考文獻(xiàn)： 

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