藍(lán)牙低能耗技術(shù)內(nèi)幕

藍(lán)牙2.1+EDR/3.0+HS版本(通常指“標(biāo)準(zhǔn)藍(lán)牙技術(shù)”)與藍(lán)牙低能耗(BLE)技術(shù)有許多共同點(diǎn)：它們都是低成本、短距離、可互操作的魯棒性無(wú)線技術(shù)，工作在免許可的2.4GHz ISM射頻頻段。

不過(guò)它們之間有一個(gè)重要區(qū)別：藍(lán)牙低能耗技術(shù)從一開(kāi)始就設(shè)計(jì)為超低功耗(ULP)無(wú)線技術(shù)，而標(biāo)準(zhǔn)藍(lán)牙技術(shù)主要是能夠構(gòu)成“低功耗的”無(wú)線連接。

標(biāo)準(zhǔn)藍(lán)牙技術(shù)是一種“面向連接”的無(wú)線技術(shù)，具有固定的連接時(shí)間間隔，因此是移動(dòng)電話(huà)連接無(wú)線耳機(jī)等高活動(dòng)連接的理想之選。相反，藍(lán)牙低能耗技術(shù)采用可變連接時(shí)間間隔，這個(gè)間隔根據(jù)具體應(yīng)用可以設(shè)置為幾毫秒到幾秒不等。另外，因?yàn)?a class="contentlabel" href="http://www.ex-cimer.com/news/listbylabel/label/BLE">BLE技術(shù)采用非?？焖俚倪B接方式，因此平時(shí)可以處于“非連接”狀態(tài)(節(jié)省能源)，此時(shí)鏈路兩端相互間只是知曉對(duì)方，只有在必要時(shí)才開(kāi)啟鏈路，然后在盡可能短的時(shí)間內(nèi)關(guān)閉鏈路。

BLE技術(shù)的工作模式非常適合用于從微型無(wú)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(shè)傳送數(shù)據(jù)。這些設(shè)備發(fā)送的數(shù)據(jù)量非常少(通常幾個(gè)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(gòu)

藍(lán)牙低能耗架構(gòu)共有兩種芯片構(gòu)成：?jiǎn)文Ｐ酒碗p模芯片。藍(lán)牙單模器件是藍(lán)牙規(guī)范中新出現(xiàn)的一種只支持藍(lán)牙低能耗技術(shù)的芯片——是專(zhuān)門(mén)針對(duì)ULP操作優(yōu)化的技術(shù)的一部分。藍(lán)牙單模芯片可以和其它單模芯片及雙模芯片通信，此時(shí)后者需要使用自身架構(gòu)中的藍(lán)牙低能耗技術(shù)部分進(jìn)行收發(fā)數(shù)據(jù)(參考圖1)。雙模芯片也能與標(biāo)準(zhǔn)藍(lán)牙技術(shù)及使用傳統(tǒng)藍(lán)牙架構(gòu)的其它雙模芯片通信。

圖1：雙模芯片將使用其架構(gòu)中的藍(lán)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(biāo)準(zhǔn)藍(lán)牙芯片的任何場(chǎng)合使用。這樣安裝有雙模芯片的手機(jī)、PC、個(gè)人導(dǎo)航設(shè)備(PND)或其它應(yīng)用就可以和市場(chǎng)上已經(jīng)在用的所有傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)藍(lán)牙設(shè)備以及所有未來(lái)的藍(lán)牙低能耗設(shè)備通信。然而，由于這些設(shè)備要求執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)藍(lán)牙和藍(lán)牙低能耗任務(wù)，因此雙模芯片針對(duì)ULP操作的優(yōu)化程度沒(méi)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(zhǎng)時(shí)間(幾個(gè)月甚至幾年)。相反，標(biāo)準(zhǔn)藍(lán)牙技術(shù)(和藍(lán)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(shí)間(取決于具體應(yīng)用)。注意，也有一些高度專(zhuān)業(yè)化的標(biāo)準(zhǔn)藍(lán)牙設(shè)備，它們可以使用容量比AAA電池低的電池工作。

超低功耗無(wú)線技術(shù)

藍(lán)牙低能耗技術(shù)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(jī)時(shí)間、快速連接和低峰值的發(fā)送/接收功耗。

無(wú)線“開(kāi)啟”的時(shí)間只要不是很短就會(huì)令電池壽命急劇降低，因此任何必需的發(fā)送或接收任務(wù)需要很快完成。被藍(lán)牙低能耗技術(shù)用來(lái)最小化無(wú)線開(kāi)啟時(shí)間的第一個(gè)技巧是僅用3個(gè)“廣告”信道搜索其它設(shè)備，或向?qū)で蠼⑦B接的設(shè)備宣告自身存在。相比之下，標(biāo)準(zhǔn)藍(lán)牙技術(shù)使用了32個(gè)信道。

這意味著藍(lán)牙低能耗技術(shù)掃描其它設(shè)備只需“開(kāi)啟”0.6至1.2ms時(shí)間，而標(biāo)準(zhǔn)藍(lán)牙技術(shù)需要22.5ms時(shí)間來(lái)掃描它的32個(gè)信道。結(jié)果藍(lán)牙低能耗技術(shù)定位其它無(wú)線設(shè)備所需的功耗要比標(biāo)準(zhǔn)藍(lán)牙技術(shù)低10至20倍。

值得注意的是，使用3個(gè)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(duì)“開(kāi)啟”時(shí)間(對(duì)應(yīng)于功耗)和魯棒性的一種折衷(廣告信道越少，另外一個(gè)無(wú)線設(shè)備在選用頻率上廣播的機(jī)會(huì)就越多，就越容易造成信號(hào)沖突)。不過(guò)該規(guī)范的設(shè)計(jì)師對(duì)于平衡這種妥協(xié)相當(dāng)有信心——比如，他們選擇的廣告信道不會(huì)與Wi-Fi默認(rèn)信道發(fā)生沖突(見(jiàn)圖2)。

圖2：藍(lán)牙低能耗技術(shù)的廣告信道是經(jīng)過(guò)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(lán)牙低能耗技術(shù)就會(huì)切換到37個(gè)數(shù)據(jù)信道之一。在短暫的數(shù)據(jù)傳送期間，無(wú)線信號(hào)將使用標(biāo)準(zhǔn)藍(lán)牙技術(shù)倡導(dǎo)的自適應(yīng)跳頻(AFH)技術(shù)以偽隨機(jī)的方式在信道間切換(雖然標(biāo)準(zhǔn)藍(lán)牙技術(shù)使用79個(gè)數(shù)據(jù)信道)。

要求藍(lán)牙低能耗技術(shù)無(wú)線開(kāi)啟時(shí)間最短的另一個(gè)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(shí)間內(nèi)發(fā)送更多的信息。舉例來(lái)說(shuō)，具有250kbps帶寬的另一種無(wú)線技術(shù)發(fā)送相同信息需要開(kāi)啟的時(shí)間要長(zhǎng)8倍(消耗更多電池能量)。