一種超低功耗藍牙技術(shù)

一種超低功耗藍牙技術(shù)

自1998年制定藍牙標準以來，藍牙技術(shù)已在全球范圍內(nèi)迅速開發(fā)。雖然藍牙技術(shù)的功耗已經(jīng)很小,但是隨著該技術(shù)被進一步應用在更多的新興領域,例如在無線傳感器網(wǎng)絡的應用中,其功耗仍然不能滿足人們的需求。如何進一步降低其功耗逐漸成為了藍牙技術(shù)向前發(fā)展的一個亟待解決的問題。針對這個問題,本文介紹了一種基于藍牙的新的無線網(wǎng)絡通信技術(shù)——超低功耗藍牙(UltraLowPowerBluetooth)技術(shù)。1wibe無線通訊針對藍牙技術(shù)的功耗在新型的應用領域方面的不足,早在2001年,諾基亞就開始研究一種被稱之為Wibree的短距無線技術(shù),并在2006年10月正式推出了該項技術(shù)。Wibree使用與藍牙相同的頻帶和硬件,但是發(fā)送功率較低,進行無線通訊的設備也較小。2007年6月12日,以諾基亞公司為首,合作方包括卡西歐、CSR、愛普生、Nordic、意法和德州儀器等公司倡導的Wibree低功耗無線技術(shù)協(xié)議被藍牙聯(lián)盟接納后,將它集成到了現(xiàn)有的藍牙規(guī)格當中,并將其名稱改為ULP藍牙,現(xiàn)在又被稱為低能耗藍牙(BluetoothLowEnergy)。2alp藍牙系統(tǒng)的安全保障如圖1所示,ULP藍牙系統(tǒng)完整的協(xié)議棧自上而下由應用層、Host層、HCI層(HostControllerInterface)和Radio層所組成的。其中,Radio層又被分為了鏈路層和物理層。·應用層定義了各種類型的應用業(yè)務,是協(xié)議棧的最上層?！ost層定義了各種數(shù)據(jù)包的格式和一些協(xié)議的規(guī)范以及ULP藍牙系統(tǒng)所采用的安全模式。·HCI層的作用就是對Host層和Radio層進行連接。它提供了一個能夠?qū)LP藍牙系統(tǒng)的Radio層的功能進行訪問的統(tǒng)一的接口。·鏈路層的功能是執(zhí)行一些基帶協(xié)議和其他一些低級的鏈路程序。ULP藍牙系統(tǒng)使用了頻分多址(FDMA)和時分多址(TDMA)技術(shù)。在FDMA方案中,ULP藍牙系統(tǒng)的40個物理信道被分成了廣播信道和數(shù)據(jù)信道?；谳喸兎桨傅腡DMA被使用在了鏈路層中?！の锢韺硬捎锰l(frequencyhopping)技術(shù)來減少干擾和信號的衰減。ULP藍牙系統(tǒng)工作于2.4GHz,標準藍牙和ZigBee都使用這個頻率,該頻率屬于工業(yè)、科學及醫(yī)療設備(ISM:IndustrialScientificMedical)頻段,無須經(jīng)過當局許可便可使用。ULP藍牙系統(tǒng)使用的中心頻率為2402+k×2MHz,其中k為0-39之間的任意整數(shù),因此,ULP藍牙系統(tǒng)共有40個通信信道。在兩個工作頻帶之間還存在著防護頻帶,帶寬比較低的防護頻帶為2MHz,帶寬比較高的防護頻帶為3.5MHz。3外圍設備通信如圖2所示,ULP藍牙系統(tǒng)是建立在星形拓撲結(jié)構(gòu)之上的。一個中央設備可以決定一個或多個外圍設備的運行安排。中央設備被稱作主設備,它可以和多個外圍設備進行通信。外圍設備被稱作從設備,它只能和一個主設備進行數(shù)據(jù)包的交換。數(shù)據(jù)包是在鏈路層的連接中被交換的。一個從設備一次只能有一個鏈路層的連接。因此,一個鏈路層的連接只能包含一個主設備和一個從設備。在標準藍牙中,一個主設備可以和7-16777184個從設備進行通信。而在ULP藍牙中是沒有這個限制的,即一個主設備可以和無數(shù)個從設備進行通信。因此,ULP藍牙網(wǎng)絡被限制為只有一個主設備與一個或多個從設備的網(wǎng)絡。4系統(tǒng)無線層的工作角色如表1所示,ULP藍牙系統(tǒng)Radio層有兩種不同的工作狀態(tài):空閑狀態(tài)和連接狀態(tài)。如表2所示,ULP藍牙系統(tǒng)Radio層有五種不同的工作角色:廣播者角色、掃描者角色、發(fā)起者角色、主角色和從角色。當Radio層執(zhí)行完發(fā)起者的角色后,進入主角色;當Radio層執(zhí)行完廣播者的角色后,則進入從角色。但是,Radio層不能同時執(zhí)行廣播者角色和掃描者角色,也不能同時執(zhí)行主角色和從角色。Radio層的工作角色的聯(lián)合如表3所示。5ulp藍牙技術(shù)的特點5.1alp藍牙的優(yōu)勢(1)對于采用了標準藍牙技術(shù)的設備來說,當它想要處于可連接狀態(tài)或者可發(fā)現(xiàn)狀態(tài)時,它必須使自己的Radio層在一段時間內(nèi)保持激活狀態(tài)。因為在這段時間內(nèi),其他的設備有可能會向它發(fā)送數(shù)據(jù)包。它在這段時間內(nèi)會掃描超過32個不同的頻率,以及在移動到下一個頻率之前,它還會對當前的頻率進行檢查以判斷此頻率是否可用。這段時間將會超過22ms。而對于采用了ULP藍牙技術(shù)的設備來說,當它想要處于可連接狀態(tài)或者可發(fā)現(xiàn)狀態(tài)時,它只需要發(fā)送3個短的數(shù)據(jù)包,之后,它立即開始監(jiān)聽,以判斷是否有其他設備想要和它開始會話。這種會話可以是一種掃描請求,例如在設備發(fā)現(xiàn)階段,為了顯示而請求更多的關(guān)于用戶接口的信息;它還可以是一種連接請求,這種請求被用來在兩個設備之間發(fā)起一個連接。這3個數(shù)據(jù)包占據(jù)的時間以及為了獲得回應而進行監(jiān)聽所消耗的時間一共只有1.4ms。由此可以看出,采用ULP藍牙技術(shù)的設備的效率比采用標準藍牙設備的效率高了17倍之多。(2)一個設備從醒來,建立連接,發(fā)送應用數(shù)據(jù),到斷開連接,總共占用的時間對它的電池的壽命有很大的影響。占用的時間越短,所消耗的能量也就越低,電池的使用壽命也就越長。采用了ULP藍牙技術(shù)的無線通信設備只需要3ms的時間就可以完成上述過程,從而大大延長了其電池的使用壽命。(3)在標準藍牙技術(shù)中,包的開銷為210μs(這個數(shù)值指的是DM1包的開銷,這個包包含了1-4個字節(jié)的L2CAP包頭),而在ULP藍牙技術(shù)中,包的開銷為112μs(這個數(shù)值指的是一個數(shù)據(jù)包的開銷,這個數(shù)據(jù)包有4個字節(jié)的L2CAP包頭)。這就意味著,當發(fā)送相同的信息的時候,ULP藍牙技術(shù)的包的大小只有標準藍牙技術(shù)的包的一半。因此,與標準藍牙技術(shù)相比,ULP藍牙技術(shù)可以使用更少的能量去傳送相同數(shù)量的應用數(shù)據(jù)。(4)ULP藍牙技術(shù)采用了具有SSR(SniffSub-rating)功能的搜索模式,通過被設定在2個設備之間相互發(fā)送確認訊號的時間間隔來達到節(jié)省功耗的目的。一般來說,當2個被連接的藍牙設備進人待機狀態(tài)之后,這2個藍牙設備之間仍然需要通過相互的呼叫來確定彼此是否仍在聯(lián)機狀態(tài)。也正因為這樣,藍牙芯片就必須隨時保持在工作狀態(tài),即使藍牙設備的其他組件都已經(jīng)進入休眠模式。為了改善這樣的狀況,標準藍牙規(guī)范(2.1版本)將2個設備之間相互發(fā)送確認訊號的時間間隔從舊版的0.1秒延長到了0.5秒左右,這樣就可以讓藍牙芯片的工作負載大幅降低,也可以讓藍牙設備有更多的時間進行徹底休眠。采用此技術(shù)之后,藍牙裝置在開啟藍牙連接之后的待機時間可以有效地延長至原來的5倍以上。雖然標準藍牙也采用了這種模式來實現(xiàn)低功耗運行,但它和ULP藍牙的區(qū)別在于后者從連接一開始就采用這種模式。這就是說,每個ULP藍牙連接均自動處于SSR搜索模式,因此ULP藍牙設備能自動以極低的功耗去運行。(5)標準藍牙設備有3個不同的功率級別,各個級別的最小輸出功率分別為1mW、0.25mW、N/A,而采用了ULP藍牙技術(shù)的設備的最小發(fā)射功率僅為0.01mW,并且它的發(fā)射功率還會隨著Radio層的工作模式的改變而動態(tài)的改變。由此可以看出,對于ULP藍牙設備而言,最小發(fā)射功率只是標準藍牙設備的最小輸出功率的25分之一。綜上所述,ULP藍牙技術(shù)特別省電,避免了頻繁的更換電池或充電,從而減輕了網(wǎng)絡維護的負擔、增加了網(wǎng)絡使用壽命。特別像在極端危險的戰(zhàn)場環(huán)境中,出于安全方面的考慮,戰(zhàn)斗人員不可能頻繁地為傳感器更換電池,因此ULP藍牙技術(shù)的超低功耗將有效地減少戰(zhàn)斗人員的傷亡。5.2頻道技術(shù)的原理ULP藍牙的設計非?？煽俊Ｋ捎昧颂l技術(shù),每隔一段時間就從一個頻率跳到另一個頻率,不斷搜尋干擾較小的信道。因此,從根本上保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?.3設計并進行了彈性藍牙協(xié)議棧(1)ULP藍牙設備可采用現(xiàn)有的標準CMOS工藝技術(shù)制造。由于其時序要求不像標準藍牙那樣嚴格,加之其協(xié)議棧被設計的非常簡練,因此它的研發(fā)和生產(chǎn)成本相對較低。(2)由于ULP藍牙設備工作在2.4GHz頻段,無需繳納版權(quán)或?qū)＠M用,也降低了它的成本。5.4限制太多ULP藍牙是一種真正的全球技術(shù),在使用方面沒有特殊的規(guī)定,也不存在限制性規(guī)則。5.5數(shù)據(jù)加密,保障網(wǎng)絡安全ULP藍牙技術(shù)提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權(quán)功能,采用128bitAES對數(shù)據(jù)進行加密,使網(wǎng)絡安全能夠得到有效的保障。下面給出一份ULP藍牙參數(shù)和標準藍牙參數(shù)的對比表格,如表4所示,從此表格中可以具體的看到ULP藍牙較之標準藍牙在功耗方面的優(yōu)勢,以及在其他性