藍牙低能耗技術詳解

藍牙低能耗無線技術利用許多智能手段最大限度地降低功耗。

藍牙2.1+EDR/3.0+HS版本(通常指“標準藍牙技術”)與藍牙低能耗(BLE)技術有許多共同點：它們都是低成本、短距離、可互操作的魯棒性無線技術，工作在免許可的2.4GHz ISM射頻頻段。

不過它們之間有一個重要區(qū)別：藍牙低能耗技術從一開始就設計為超低功耗(ULP)無線技術，而標準藍牙技術主要是能夠構成“低功耗的”無線連接。

標準藍牙技術是一種“面向連接”的無線技術，具有固定的連接時間間隔，因此是移動電話連接無線耳機等高活動連接的理想之選。相反，藍牙低能耗技術采用可變連接時間間隔，這個間隔根據(jù)具體應用可以設置為幾毫秒到幾秒不等。另外，因為BLE技術采用非?？焖俚倪B接方式，因此平時可以處于“非連接”狀態(tài)(節(jié)省能源)，此時鏈路兩端相互間只是知曉對方，只有在必要時才開啟鏈路，然后在盡可能短的時間內關閉鏈路。

BLE技術的工作模式非常適合用于從微型無線傳感器(每半秒交換一次數(shù)據(jù))或使用完全異步通信的遙控器等其它外設傳送數(shù)據(jù)。這些設備發(fā)送的數(shù)據(jù)量非常少(通常幾個字節(jié))，而且發(fā)送次數(shù)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：單模芯片和雙模芯片。藍牙單模器件是藍牙規(guī)范中新出現(xiàn)的一種只支持藍牙低能耗技術的芯片——是專門針對ULP操作優(yōu)化的技術的一部分。藍牙單模芯片可以和其它單模芯片及雙模芯片通信，此時后者需要使用自身架構中的藍牙低能耗技術部分進行收發(fā)數(shù)據(jù)(參考圖1)。雙模芯片也能與標準藍牙技術及使用傳統(tǒng)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合使用。這樣安裝有雙模芯片的手機、PC、個人導航設備(PND)或其它應用就可以和市場上已經在用的所有傳統(tǒng)標準藍牙設備以及所有未來的藍牙低能耗設備通信。然而，由于這些設備要求執(zhí)行標準藍牙和藍牙低能耗任務，因此雙模芯片針對ULP操作的優(yōu)化程度沒有像單模芯片那么高。

單模芯片可以用單節(jié)鈕扣電池(如3V、220mAh的CR2032)工作很長時間(幾個月甚至幾年)。相反，標準藍牙技術(和藍牙低能耗雙模器件)通常要求使用至少兩節(jié)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間(取決于具體應用)。注意，也有一些高度專業(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。

超低功耗無線技術

藍牙低能耗技術的三大特性成就了ULP性能，這三大特性分別是最大化的待機時間、快速連接和低峰值的發(fā)送/接收功耗。

無線“開啟”的時間只要不是很短就會令電池壽命急劇降低，因此任何必需的發(fā)送或接收任務需要很快完成。被藍牙低能耗技術用來最小化無線開啟時間的第一個技巧是僅用3個“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，標準藍牙技術使用了32個信道。

這意味著藍牙低能耗技術掃描其它設備只需“開啟”0.6至1.2ms時間，而標準藍牙技術需要22.5ms時間來掃描它的32個信道。結果藍牙低能耗技術定位其它無線設備所需的功耗要比標準藍牙技術低10至20倍。

值得注意的是，使用3個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“開啟”時間(對應于功耗)和魯棒性的一種折衷(廣告信道越少，另外一個無線設備在選用頻率上廣播的機會就越多，就越容易造成信號沖突)。不過該規(guī)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與Wi-Fi默認信道發(fā)生沖突(見圖2)。

圖2：藍牙低能耗技術的廣告信道是經過慎重選擇的，可以避免與Wi-Fi發(fā)生沖突。

一旦連接成功后，藍牙低能耗技術就會切換到37個數(shù)據(jù)信道之一。在短暫的數(shù)據(jù)傳送期間，無線信號將使用標準藍牙技術倡導的自適應跳頻(AFH)技術以偽隨機的方式在信道間切換(雖然標準藍牙技術使用79個數(shù)據(jù)信道)。

要求藍牙低能耗技術無線開啟時間最短的另一個原因是它具有1Mbps的原始數(shù)據(jù)帶寬——更大的帶寬允許在更短的時間內發(fā)送更多的信息。舉例來說，具有250kbps帶寬的另一種無線技術發(fā)送相同信息需要開啟的時間要長8倍(消耗更多電池能量)。

藍牙低能耗技術“完成”一次連接(即掃描其它設備、建立鏈路、發(fā)送數(shù)據(jù)、認證和適當?shù)亟Y束)只需3ms。而標準藍牙技術完成相同的連接周期需要數(shù)百毫秒。再次提醒，無線開啟時間越長，消耗的電池能量就越多。

藍牙低能耗技術還能通過兩種其它方式限制峰值功耗：采用更加“寬松的”射頻參數(shù)以及發(fā)送很短的數(shù)據(jù)包。兩種技術都使用高斯頻移鍵控(GFSK)調制，但藍牙低能耗技術使用的調制指數(shù)是0.5，而標準藍牙技術是0.35。0.5的指數(shù)接近高斯最小頻移鍵控(GMSK)方案，可以降低無線設備的功耗要求(這方面的原因比較復雜，本文暫不贅述)。更低調制指數(shù)還有兩個好處，即提高覆蓋范圍和增強魯棒性。

標準藍牙技術使用的數(shù)據(jù)包長度較長。在發(fā)送這些較長的數(shù)據(jù)包時，無線設備必須在相對較高的功耗狀態(tài)保持更長的時間，從而容易使硅片發(fā)熱。這種發(fā)熱將改變材料的物理特性，進而改變傳送頻率(中斷鏈路)，除非頻繁地對無線設備進行再次校準。再次校準將消耗更多的功率(并且要求閉環(huán)架構，使得無線設備更加復雜，從而推高設備價格)。

相反，藍牙低能耗技術使用非常短的數(shù)據(jù)包——這能使硅片保持在低溫狀態(tài)。因此，藍牙低能耗收發(fā)器不需要較耗能的再次校準和閉環(huán)架構。

擴展藍牙生態(tài)系統(tǒng)

藍牙低能耗技術設計非常適合由于嚴格的功耗限制而無法使用標準藍牙技術的應用場合。這是第一次向電子設計師提供具有嚴格互操作性的ULP無線技術，有望帶來數(shù)百種新的應用。

一些早期的應用跡象也許是，藍牙技術聯(lián)盟(Bluetooth SIG)試圖通過發(fā)布首批配置(profile)進一步補充藍牙版本4.0核心規(guī)范(包括了BLE)：這些配置針對諸如個人用戶接口設備(如手表)、遙控器、距離感應告警儀、電池狀態(tài)和心率監(jiān)視器等一些應用優(yōu)化了藍牙低能耗通用芯片。其它健康和健身監(jiān)視配置(如血糖儀和血壓計、周期性節(jié)律儀和周期性奇異電源)將隨后推出(見圖3)。

圖3：藍牙核心規(guī)范版本4.0定義了藍牙低能耗技術的架構。相應配置即將推出。

下面讓我們看一下藍牙低能耗技術是如何在以下兩種潛在應用中發(fā)揮作用的：距離感應告