藍牙低功耗無線技術(shù)的價值

　　超低功耗是ULP藍牙技術(shù)取得成功的關(guān)鍵。人們希望，使用普通的鈕扣電池的裝置可運行幾個月甚至幾年。人們對ULP藍牙設(shè)想的目標市場和產(chǎn)品路線是十分清晰的，目前預(yù)計ULP藍牙樣機的推出和標準的批準會在同一個時間。

　　在短距離低功率無線領(lǐng)域，似乎藍牙技術(shù)的地位已經(jīng)不容置疑。但在功耗和成本成為主要約束的情況下，應(yīng)用就受到了限制，較高的功耗使其應(yīng)用不能使用功率極小的鈕扣電池（圖1）。此外，越來越多的產(chǎn)品要求裝置和設(shè)備之間要能夠?qū)崿F(xiàn)無線協(xié)作，以現(xiàn)行的藍牙技術(shù)，這只是一個夢想。

　　藍牙低功耗無線技術(shù)填補空白

　　在研究人員視藍牙低功耗無線技術(shù)（ULP藍牙）為新的希望之前，想把無線連接加到設(shè)計中的設(shè)計工程師面對著撲朔迷離的各種選擇，如WiMAX（IEEE802.16d）、Wi-Fi（IEEE802.11b/g/n）、藍牙（IEEE802.11.15.1）、ZigBee（IEEE802.15.4）。不同的技術(shù)似乎覆蓋了整個無線通訊領(lǐng)域，包括從遠距離、高帶寬一直到短距離、低功耗（適合電池供電的便攜式裝置使用）。但是，許多工程師意識到迫切需要另外一種無線射頻技術(shù)，其能夠在小型個人便攜式產(chǎn)品之間協(xié)作，而且耗電量極小，電池的壽命能夠達到數(shù)月至一年。

　　由于缺乏這樣一個開放的標準，在消費類應(yīng)用系統(tǒng)領(lǐng)域留下了一個利潤豐厚的市場，它需要專門的解決方案來填補超低功耗（在發(fā)射或接收時低于15mA且平均電流在微安的范圍）短距離（數(shù)十米）無線連接的空白。

　　專有解決方案都具備高帶寬、抗干擾、價格好、電池壽命令人羨慕的特點。例如，Nordic Semiconductor的nRF24xxx系列2.4 GHz收發(fā)器在全球數(shù)以百萬計的無線鼠標器、鍵盤、保健傳感器和運動手表中應(yīng)用得非常成功；其中nRF24l01收發(fā)器在發(fā)射或接收功率為0dBm、速度為2Mbps時，消耗電流約12mA；把Nordic的nRF2601無線桌面協(xié)議（WDP）用在無線鼠標器中時，正常使用的情況下兩節(jié)AA電池的壽命約為一年，相比之下，使用藍牙的同類鼠標器壽命僅一個月。

　　專有解決方案的產(chǎn)品的缺點是彼此之間不能協(xié)作。點到點連接的終端產(chǎn)品制造商主要通過專有解決方案的優(yōu)異性價比獲利，而幾乎都不關(guān)心這個問題。但一些想以無線方式和其他公司產(chǎn)品連接起來，或想使用其他的收發(fā)器的制造商，就不能采用專有解決方案。而這些公司正是藍牙低功耗無線技術(shù)所針對的客戶。

　　擴大無線連接

　　很多人說，開放標準增加了繁瑣的官僚作風(fēng)、扼殺了創(chuàng)新，但如果沒有1998年成立的非營利組織Bluetooth SIG（藍牙技術(shù)聯(lián)盟），很有可能藍牙技術(shù)不會像現(xiàn)在這樣蓬勃發(fā)展。在最初幾年，只有為數(shù)不多的贊助者大量地投資到技術(shù)規(guī)范的制定、市場宣傳和推廣上，而且沒有人能保證它一定成功。此外，由于得到的支持有限，有些公司可能望而卻步，因為害怕過時而不會納入自己的產(chǎn)品中。藍牙作為一個開放標準，鼓勵半導(dǎo)體廠商之間進行良性競爭，促成了一系列相互競爭然而能夠協(xié)同運作的產(chǎn)品和服務(wù)，而也正是Bluetooth SIG培育了新興的Wibree技術(shù)，并將其作為“藍牙超低功耗無線技術(shù)（ULP藍牙）”納入藍牙技術(shù)規(guī)范。

　　最早，諾基亞只想Wibree與Bluetooth SIG能很好地相處，以手機作為無線PAN的中心，協(xié)調(diào)無線外設(shè)一起工作。目前，幾乎所有最基本的移動電話都裝了藍牙芯片，手機能夠很容易地與其他設(shè)備進行通信。但是Bluetooth SIG已經(jīng)認識到，如果這個通信功能可以延伸到安裝了超低功耗無線連接的傳感器或者其他裝置，如裝有心率傳感器、腳步加速度傳感器的智能型運動手表、具有遠距離射頻控制功能的裝置、保健傳感器等，它的應(yīng)用是無止境的。

　　目前的藍牙做不到這樣的連接性，因為用于移動電話的任何外圍設(shè)備必須很小、重量輕，要用鈕扣電池供電。此外，手機制造商并不想在移動電話中另外增加射頻裝置。但是如果無線手機外設(shè)使用ULP藍牙，而且在手機上配備經(jīng)過適當(dāng)修改的藍牙芯片（加入超低功耗的功能），這一切將很容易實現(xiàn)。

　　藍牙低功耗無線技術(shù)

　　ULP藍牙技術(shù)的規(guī)范草案對超低功耗短距離射頻通信技術(shù)作了詳細規(guī)定，這是一個簡化的協(xié)議，并與藍牙技術(shù)整合在一起。根據(jù)目前的估計，協(xié)作規(guī)范（也稱作互操作或互用性規(guī)范）的第一個商用版本將在2008年下半年出臺。

　　ULP藍牙技術(shù)和藍牙工作頻率一樣為2.4GHz，這是供工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療（ISM）使用的波段。它的物理層的比特率為1Mb/s，作用距離達到15m。該帶寬可能超出工程的需要，但卻是經(jīng)過精心選擇的。多年實地經(jīng)驗與專有技術(shù)（如Nordic的nRF24xxx收發(fā)器）的使用經(jīng)驗，以及按給定的數(shù)據(jù)量在發(fā)射功率（隨著帶寬增加而增大）和工作周期（隨著帶寬增加而下降）之間的權(quán)衡比較表明，1Mb/s的速度是最合適的。

　　ULP藍牙技術(shù)規(guī)范有“雙模式”和“獨立式”兩種實施方案。“雙模式”是把藍牙低功耗功能加到傳統(tǒng)的藍牙電路中。這樣的芯片具備現(xiàn)有藍牙技術(shù)的大部分功能和射頻功能，與現(xiàn)在的芯片相比，增加的費用是最少的（圖2）。

　　獨立式芯片是集成度很高而且尺寸很小的器件。簡化的藍牙低功耗無線技術(shù)協(xié)議棧有一個簡化的鏈接層（LL），提供超低功耗的運行模式，它找到設(shè)備的過程很簡單，點對多點的數(shù)據(jù)傳輸很可靠，具有先進的節(jié)電功能和加密功能。

　　超低功耗是ULP藍牙技術(shù)取得成功的關(guān)鍵。人們希望，使用普通的鈕扣電池的裝置可運行幾個月甚至幾年。獨立式芯片通常工作在低工作周期的情形，進入超低功耗閑置和睡眠模式，定期地喚醒進行短時間的通訊。典型的獨立式ULP藍牙設(shè)備在運行時（例如運動手表與心率監(jiān)測儀交換數(shù)據(jù)），芯片在發(fā)射或接收時消耗的最大電流不到15mA，在待機模式下降到約2mA，在睡眠模式則降到900nA。

　　雙模式芯片主要用于手機、多媒體電腦和個人電腦。芯片工作在ULP藍牙模式時，功耗大約是普通藍牙芯片的75%~80%。下一代雙模式藍牙芯片將具備藍牙技術(shù)的大部分現(xiàn)有功能和射頻功能，不過，由于雙模式器件將使用藍牙技術(shù)的部分硬件，它的功耗最終取決于藍牙的實施情況。因此，雙模式器件沒有ULP藍牙技術(shù)規(guī)范中列出的優(yōu)勢和可能性。

　　潛力巨大

　　最初使用藍牙低功耗無線技術(shù)的有娛樂、醫(yī)療保健和辦公電子設(shè)備。一個人在訓(xùn)練時可以利用配備了藍牙雙模式芯片的智能手機作為個人局域網(wǎng)（PAN）的中心，而組成這個PAN的設(shè)備有：安裝了ULP藍牙的跑鞋、心率腕帶和運動手表。也有可能把這個數(shù)據(jù)傳送到配備適當(dāng)?shù)腉PS裝置，它能夠根據(jù)當(dāng)前的進展速度預(yù)測使用者會到什么地方去。另外，運動手表能夠與健身房中步行機上的ULP藍牙芯片進行通信，把數(shù)據(jù)傳送到智能電話上。ULP藍牙也可以用來監(jiān)測心率和血壓，并定期地發(fā)送短信給醫(yī)院的醫(yī)生；或在跑步時記錄心率、距離和速度，發(fā)送至其他手機上。在娛樂方面，甚至可以通過ULP藍牙技術(shù)用移動電話駕駛玩具賽車避開障礙物。由于手機上的雙模式藍牙芯片能夠與其他配備藍牙的裝置和配備ULP藍牙的獨立產(chǎn)品進行通信，許多新的商機會涌現(xiàn)。獨立式芯片也將能夠與其他的獨立式芯片直接溝通。

　　正如Nordic Semiconductor的CEO Svenn-Tore Larsen所說：一旦有一個低成本的方法把具備協(xié)作能力的無線連接加到任何由電池供電的設(shè)備上，那么它的潛力就非常巨大，特別是如果信息可以傳送到手提電話并儲存起來的話。

　　前景無量

　　人們對ULP藍牙設(shè)想的目標市場和產(chǎn)品路線是十分清晰的，目前預(yù)計ULP藍牙樣機的推出和標準的批準會在同一個時間。ULP藍牙技術(shù)迅速推廣的唯一主要障礙可能在于非射頻類工程師在把ULP藍牙設(shè)計到產(chǎn)品中時可能會感到擔(dān)憂。為了解決這個問題，Nordic Semiconductor一直在與這樣的客戶共同工作，以期提供一種可以提供高度集成的射頻集成電路、藍牙低功耗無線技術(shù)軟件、開發(fā)工具和參考設(shè)計來縮短學(xué)習(xí)時間，加快進入市場速度的解決辦法。

　　到了2008年北京奧運盛會之際，我們將可以看到使用ULP藍牙技術(shù)的手機在市場上出售。鑒于智能運動傳感器和運動員狀態(tài)表現(xiàn)監(jiān)測將是藍牙低功耗無線技術(shù)的一個主要市場，相信這令人振奮的新型無線技術(shù)將隨2008年奧運會一起走向全球市場。