新藍牙6.0協(xié)議擴展應用范圍
自藍牙1.0版本規(guī)范出現(xiàn)以來的25年里,藍牙技術已經(jīng)增加了多項功能,這些增加的功能為眾多新型應用和市場開辟了道路。隨著最新藍牙核心規(guī)范6.0版本和藍牙Mesh的發(fā)布以及它們帶來的變化,這一技術的演進還在繼續(xù)。在未來幾年,藍牙的創(chuàng)新將為家庭、零售、分銷和工業(yè)自動化領域的用戶帶來嶄新的應用。
關于將藍牙功能擴展到新應用這方面的創(chuàng)新,一個重要的例子是使用新的藍牙信道探測(Bluetooth Channel Sounding)協(xié)議來支持安全且精細的測距。該協(xié)議允許在彼此無線覆蓋范圍內(nèi)的兩臺設備以安全、準確的方式確定它們之間的距離,這進一步增強了低功耗藍牙(Bluetooth LE)中已經(jīng)存在的位置服務和定位功能。
大多數(shù)現(xiàn)有藍牙設備都可以通過檢測從其他設備傳來的廣告來進行存在檢測(presence detection),然后分析射頻信號強度并將其轉(zhuǎn)換為距離信息,但測距精度僅在±5米左右。除了基本的存在檢測,以及粗略和精細的距離測量外,藍牙標準還支持使用到達角(AoA)和出發(fā)角(AoD)測量技術進行測向。
藍牙信道探測
承上所述,新的藍牙信道探測技術可在藍牙6.0設備之間實現(xiàn)安全精細的測距。該新協(xié)議可以利用藍牙的80 MHz帶寬和多信道特性,在全頻率范圍內(nèi)進行音調(diào)(tone)測量和往返時間(round-trip-time)測量。這個過程從“發(fā)起者”設備和“反射者”設備開啟藍牙連接開始,先基于功能比較就測量配置達成一致,然后執(zhí)行測距程序。
在信道探測過程中,發(fā)起者通過指定的2.4 GHz信道發(fā)送音調(diào)或數(shù)據(jù)包,反射者則通過將數(shù)據(jù)發(fā)回給發(fā)起者來進行響應。數(shù)據(jù)包的往返時間以及發(fā)送和接收的音調(diào)之間的相位差都可以用來確定距離。
通過加密的藍牙連接進行傳輸、數(shù)據(jù)包上的時間戳以及其他安全功能有助于防止其他節(jié)點進行欺騙應答并向發(fā)起者提供錯誤的距離估計。
在許多現(xiàn)實環(huán)境中,使用包括相位測量在內(nèi)的信道探測技術進行精細測距時,在小于5米的范圍內(nèi)可以提供±0.3米的精度,在大于5米的范圍內(nèi)可以提供±0.5米的精度。
藍牙信道探測在工業(yè)、家庭和零售等環(huán)境中有許多應用,例如用于無鑰匙進入、資產(chǎn)追蹤和基礎設施定位。信道探測的準確性使其適用于基于地理圍欄的安全策略,在用戶接近時,為獲得正確授權的用戶開門;如果用戶在敏感區(qū)域停留太長時間,則會發(fā)出警報。類似的原理也適用于汽車和房屋的無鑰匙進入,只有當主人進入近距離時,系統(tǒng)才會開門。
藍牙Mesh擴展功能
藍牙Mesh 1.1引入了幾項新功能,旨在降低網(wǎng)絡設置和維護的復雜性與成本,并增強性能、安全性和可擴展性。新的藍牙Mesh標準的亮點總結如下:
遠程配置(Remote Provisioning)支持從一個位置將多個新設備添加到網(wǎng)絡中,這對于大規(guī)模部署特別有用。在該標準以前的版本中,需要在設備的無線電范圍內(nèi)進行配置,這意味著需要一個人來調(diào)試設備。
基于證書的配置(Certificate-Based Provisioning)通過在配置過程中使用數(shù)字證書對設備進行認證來增強安全性。它確保只有授權的設備才能加入網(wǎng)絡,從而提供了額外的安全層。這在與遠程配置結合使用時特別有用,因為它可以最少的用戶交互實現(xiàn)設備的安全批量調(diào)試。
Mesh設備固件更新(DFU)功能標準化了藍牙Mesh網(wǎng)絡中的固件更新程序,并允許Mesh網(wǎng)絡中的設備固件進行高效的無線(OTA)更新。該標準還定義了一個BLOB(Binary Large Object,二進制大對象)協(xié)議,該協(xié)議使用多播和單播消息傳遞來將固件有效地傳遞到要更新的節(jié)點。此功能對于維護大型網(wǎng)絡特別有用,例如用于商業(yè)樓宇自動化的網(wǎng)絡。
子網(wǎng)橋接(Subnet Bridging)功能保留了納入子網(wǎng)的能力,以實現(xiàn)區(qū)域隔離,同時簡化網(wǎng)絡復雜性。由于每個子網(wǎng)都使用唯一的安全密鑰,因此子網(wǎng)橋接可以提高網(wǎng)絡的安全性,又因為在默認情況下,消息不會在子網(wǎng)之間轉(zhuǎn)發(fā),還可以提高網(wǎng)絡的效率。
定向轉(zhuǎn)發(fā)(Directed Forwarding)功能允許中繼節(jié)點創(chuàng)建從源到目的地的直接路徑,從而提高了消息傳遞效率。這種多跳方法減少了所需的跳數(shù),從而提高了網(wǎng)絡性能。
在新的藍牙Mesh 1.1標準中還包含了其他多項小的功能改進,以提高技術的性能、可用性或安全性。
這些更新使藍牙Mesh 1.1成為一個更強大、更通用的解決方案,可用于廣泛的應用場景,從智能家居到大型商業(yè)建筑和工業(yè)環(huán)境,等等。
大規(guī)模、超低功耗星型網(wǎng)絡
帶響應的周期性廣播(PAwR)是藍牙的另一項功能,它通過啟用無連接的雙向通信來提高大型藍牙網(wǎng)絡的通信效率。PAwR適合大多數(shù)節(jié)點都是相對簡單的固定元件的情況,例如目前在零售店使用的電子貨架標簽(ESL)顯示單元。通過標準化的藍牙ESL配置文件和服務,PAwR可以設置為支持多達128個PAwR子事件(Subevent),每個子事件最多可尋址255個唯一設備。這使得網(wǎng)絡規(guī)??梢猿^32000個外圍設備。
雖然PAwR是為主要通信模式為一對多的網(wǎng)絡而設計的,但是它支持雙向通信,而子事件的使用以一種節(jié)能的方式實現(xiàn)了這一點。這使得PAwR特別適合功耗預算非常有限的ESL設備。當管理節(jié)點需要更新群組中的ESL時,它會發(fā)出子事件消息。與該子事件關聯(lián)的每個節(jié)點都有一個設計好的時段(slot),它們可以在這個時段進行回復(可能是一段消息),以確認已經(jīng)應用了更新的價格。
或者,它可能會借此機會發(fā)送警報,讓管理員知道它的電池電量即將耗盡。通過這種時間同步的機制,ESL可以在其預期會被完全喚醒的時段之外關閉它的無線發(fā)射器和其他功能。對于固件更新等情況,節(jié)點可以利用藍牙連接獲得更高的數(shù)據(jù)吞吐量。之后,它們可以返回到節(jié)能的PAwR模式。
盡管零售業(yè)是PAwR的一個主要市場,但還有其他情況也可以從這種面向ESL的設計中受益。其中一個例子就是資產(chǎn)管理,在這類場景中,中央服務器需要對資產(chǎn)保持追蹤,例如倉庫中的貨盤或生產(chǎn)線環(huán)境中的產(chǎn)品運輸工具車。
為了確保PAwR協(xié)議能夠在現(xiàn)實場景中工作,芯科科技基于一個設備群(擁有500多臺支持PAwR的設備)進行了廣泛的測試,以確定在停電中斷同步后網(wǎng)絡的恢復情況。測試還顯示了PAwR協(xié)議可以在ESL設備上將電池續(xù)航時間維持到什么程度。測試表明,通過改變PAwR間隔時間,PAwR能夠在響應性和超低功耗之間取得平衡。
上述這些增加到最新藍牙標準中的新功能展示了該無線協(xié)議的活力,以及原始設備制造商(OEM)和集成商在為其系統(tǒng)開發(fā)硬件時采用最新芯片的價值。
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