藍牙低能耗(BLE)技術(shù)簡介

1、藍牙低能耗（BLE ）技術(shù)簡介藍牙低能耗技術(shù)簡介藍牙低能耗（BLE）技術(shù)是低成本、短距離、可互操作的魯棒性無線技術(shù)，工作在免許可的2.4GHz ISM 射頻頻段。它從一開始就設(shè)計為超低功耗（ULP）無線技術(shù)。它利用許多智能手段最大限度地降低功耗。藍牙低能耗技術(shù)采用可變連接時間間隔，這個間隔根據(jù)具體應(yīng)用可以設(shè)置為幾毫秒到幾秒不等。另外，因為BLE技術(shù)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(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線傳感器（每半秒交換一次數(shù)據(jù)）或使用完全異步通信

2、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）。超低功耗無線技術(shù)藍牙低能耗技術(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(wù)需要很快完成。被藍牙低能耗技術(shù)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(shè)備，或向?qū)で蠼⑦B接的設(shè)備宣告自身存在。相比之下，標準藍牙技術(shù)使用了 32個信道。這意味著藍牙低能耗技術(shù)掃描其它設(shè)備只需開啟” 0.6至1.2ms時間，而標準藍牙技術(shù)需要

3、22.5ms時間來掃描它的32個信道。結(jié)果藍牙低能耗技術(shù)定位其它無線設(shè)備所需的功耗要比標準藍牙技術(shù)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(yīng)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(shè)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(shè)計師對于平衡這種妥協(xié)相當有信心一一比如，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1）lew eHW9vulwi審 *W5ChMHHlI14711474rr1474J4乳料右hnBiQ*丁出.nn咖嗎nfl迥244豈61444g1421440F.Hi馳

4、5訂J4W5nmz34為14H'A °y34修J414M13MW-J4441404圖1 :藍牙低能耗技術(shù)的廣告信道是經(jīng)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(shù)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(shù)倡導(dǎo)的自適應(yīng)跳頻（AFH）技術(shù)以偽隨機的方式在信道間切換（雖然標準藍牙技術(shù)使用 79個數(shù)據(jù)信道）。要求藍牙低能耗技術(shù)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)帶寬一一更大的帶寬允許在更短的時間內(nèi)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(shù)發(fā)送相同信息需要開啟的時間要長8倍（消

5、耗更多電池能量）。藍牙低能耗技術(shù) 完成”一次連接（即掃描其它設(shè)備、建立鏈路、發(fā)送數(shù)據(jù)、認證和適當?shù)亟Y(jié)束）只需3ms。而標準藍牙技術(shù)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(shù)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(shù)都使用高斯頻移鍵控（GFSK）調(diào)制，但藍牙低能耗技術(shù)使用的調(diào)制指數(shù)是0.5，而標準藍牙技術(shù)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(shè)備的功耗要求（這方面的原因比較復(fù)雜，本文暫不贅述）。更低調(diào)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

6、技術(shù)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(shè)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(shè)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(gòu)，使得無線設(shè)備更加復(fù)雜，從而推高設(shè)備價格）。相反，藍牙低能耗技術(shù)使用非常短的數(shù)據(jù)包 一一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(gòu)。BLE的兩種芯片架構(gòu)藍牙低能耗架構(gòu)共有兩種芯片構(gòu)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(shù)的芯 片一一是專門針對ULP操作優(yōu)化的技術(shù)

7、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(gòu)中的 藍牙低能耗技術(shù)部分進行收發(fā)數(shù)據(jù)（參考圖2）。雙模芯片也能與標準藍牙技術(shù)及使用傳統(tǒng)藍牙架構(gòu)的其它雙模芯片通信。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(dǎo)航設(shè)備（PND）或其它應(yīng)用就可以和市場上已經(jīng)在用的所有傳統(tǒng)標準藍牙設(shè)備以及所有未來的藍牙低能耗設(shè)備通信。然而，由于這些設(shè)備要求執(zhí)行標準藍牙和藍牙低能 耗任務(wù)，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(shù)（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(yīng)用）。注意，也有一些高度專業(yè)化的標準藍牙設(shè)備， 它們可以使用容量比 AAA電池低的電池工作。UJu#lD«U1 wchwMltpwfwnrrEhflHHVr$孑14