本文章?lián)碛袃刹糠?，將通過定義低功耗藍(lán)牙來解決這種混淆。然后介紹規(guī)范 4.1、4.2 和 5 中對該技術(shù)所做的增強，使其適合于不是原本目標(biāo)的應(yīng)用。這些應(yīng)用包括超低功耗、更大范圍、更高吞吐量以及新增廣告擴展。文章還介紹了與規(guī)范最新版本完全兼容的低功耗藍(lán)牙片上系統(tǒng) (SoC) 示例。

 

該兩部分系列文章的第二部分將說明，射頻經(jīng)驗極少的設(shè)計人員如何使用眾多供應(yīng)商提供的 SoC、模塊、固件及硬件和軟件開發(fā)套件 (SDK) 來設(shè)計低功耗藍(lán)牙無線產(chǎn)品。

 

 

隨著藍(lán)牙 4.0 在 2010 年被采用，低功耗藍(lán)牙作為超低功耗、可互操作式的藍(lán)牙短距離無線技術(shù)而引入。該技術(shù)將藍(lán)牙生態(tài)系統(tǒng)擴展到可穿戴電子設(shè)備等電池容量較小的應(yīng)用。其在目標(biāo)應(yīng)用中的平均電流是微安級，補充了傳統(tǒng)藍(lán)牙。原規(guī)范的主要特點：

 

 

該技術(shù)適用于傳輸來自緊湊型無線傳感器或其他可使用完全異步通信的外設(shè)的數(shù)據(jù)。這些設(shè)備很少發(fā)送少量數(shù)據(jù)（即少數(shù)字節(jié)）。其占空比范圍從每秒幾次到每分鐘一次，或者更長。

 

在藍(lán)牙 4.0 內(nèi)核規(guī)范中，輕型低功耗藍(lán)牙堆棧包括物理層 (PHY)（負(fù)責(zé)傳輸比特）、鏈路層 (LL)（負(fù)責(zé)定義數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)和控制）和主機控制接口 (HCI)。這三層統(tǒng)稱為低功耗藍(lán)牙鏈路控制器（或“控制器”）?？刂破髦系闹鳈C層包括邏輯鏈路控制和適配協(xié)議 (L2CAP)，主要負(fù)責(zé)為應(yīng)用和服務(wù)提供基于通道的抽象。其可通過共享邏輯鏈路進(jìn)行應(yīng)用數(shù)據(jù)的碎片化和去碎片化，以及復(fù)用和去復(fù)用多通道。

 

主機層還包括安全管理器協(xié)議 (SMP) 和屬性協(xié)議 (ATT)。SMP 使用固定 L2CAP 通道實現(xiàn)設(shè)備間的安全功能。ATT 提供了一個通過固定 L2CAP 通道進(jìn)行少量數(shù)據(jù)通信的方法。另外，ATT 還會用于確定其他設(shè)備的服務(wù)和功能。通用屬性 (GATT) 配置文件指定了交換配置文件數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)定義了應(yīng)用中使用的服務(wù)和特征等基本要素。最后，通用訪問配置文件 (GAP) 定義了藍(lán)牙設(shè)備的基本要求。應(yīng)用軟件位于堆棧的頂部（圖 1）。

 

圖 1： 顯示了控制器、主機和應(yīng)用的低功耗藍(lán)牙協(xié)議棧。通用屬性配置文件 (GATT) 定義了藍(lán)牙設(shè)備的基本要求。（圖片來源： “Bluetooth Low Energy: The Developer’s Handbook,” Robin Heydon)

 

開發(fā)人員中的混淆可能始于 4.0 版本，藍(lán)牙內(nèi)核規(guī)范定義了兩種芯片類型：

 

本文（和第 2 部分）主要討論了低功耗藍(lán)牙設(shè)備。在許多消費應(yīng)用中，該設(shè)備可與藍(lán)牙芯片協(xié)同工作，但由于 4.1、4.2 和 5 版中增強了標(biāo)準(zhǔn)，其正越來越多地作為一個獨立的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用設(shè)備使用。

 

低功耗藍(lán)牙芯片可以與藍(lán)牙 4.0 或更高版本的其他低功耗藍(lán)牙芯片和藍(lán)牙芯片互操作。請注意，藍(lán)牙芯片用于智能手機、平板電腦和個人電腦等應(yīng)用，而對這些應(yīng)用來說，帶寬比功耗更為重要。不過，他們也可以與藍(lán)牙 3.0 及更早版本的藍(lán)牙芯片互操作（圖 2）。

 

圖 2： 藍(lán)牙 4.0 基于兩個設(shè)備，藍(lán)牙芯片（帶 BR/EDR + LE PHY）和低功耗藍(lán)牙芯片 (LE PHY)（圖片的中間和右側(cè)）。這些設(shè)備可互操作。藍(lán)牙芯片也可以與藍(lán)牙 3.0 及更早版本的經(jīng)典藍(lán)牙芯片互操作（左）。（圖片來源： Nordic Semiconductor。）

 

低功耗藍(lán)牙通過最大化待機時間以及使用快速連接和低峰值發(fā)射/接收功率來節(jié)省功耗。其超低功耗的關(guān)鍵是，傳統(tǒng)藍(lán)牙是一種具有固定連接間隔的“面向連接”無線電，而低功耗藍(lán)牙通常處于省電的“未連接”狀態(tài)，鏈路的兩端能感知彼此，但只在必要時連接，而且連接時間會盡可能短。

 

與藍(lán)牙的 32 個廣告通道相比，低功耗藍(lán)牙僅使用三個就可搜索其他設(shè)備或宣告其自身的存在。低功耗藍(lán)牙啟動 0.6 到 1.2 毫秒掃描其他設(shè)備，而藍(lán)牙需要 22.5 毫秒掃描 32 個通道，多消耗高達(dá) 20 倍的能量。

 

連接后，低功耗藍(lán)牙會切換到其 37 個數(shù)據(jù)通道之一，然后使用原藍(lán)牙規(guī)范首創(chuàng)的采用 79 個通道的自適應(yīng)跳頻 (AFH) 技術(shù)，在偽隨機模式下于通道間進(jìn)行切換，從而避免干擾。低功耗藍(lán)牙可在 3 毫秒內(nèi)完成其連接 - 掃描、鏈路、發(fā)送數(shù)據(jù)、驗證和終止，相比藍(lán)牙使用的幾百毫秒，又一次節(jié)約了能耗。

 

該技術(shù)還使用了比藍(lán)牙更多的“寬松”射頻參數(shù)，從而也節(jié)省了功耗。這兩種技術(shù)均使用高斯頻移鍵控 (GFSK) 調(diào)制；不過，智能藍(lán)牙使用了 0.5 的調(diào)制指數(shù)而非經(jīng)典藍(lán)牙的 0.35，因此降低功耗要求。較低的調(diào)制指數(shù)也有助于擴大范圍以及增強堅固性。

 

最后，低功耗藍(lán)牙使用的數(shù)據(jù)包比藍(lán)牙使用的短。這有助于避免芯片過熱，也可規(guī)避使用功耗高的重新校準(zhǔn)程序和閉環(huán)架構(gòu)。

 

 

在消費應(yīng)用中，智能手機通常作為低功耗藍(lán)牙設(shè)備的數(shù)據(jù)到達(dá)云的“網(wǎng)關(guān)”。這適用于健身腕帶等以人為本的應(yīng)用，但對于家庭或工業(yè)自動化等應(yīng)用則不太理想，因為這些應(yīng)用不太可能會一直都能使用智能手機。在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中實現(xiàn)該技術(shù)時，引入了藍(lán)牙 4.1（部分）以解決這一弱點。

 

藍(lán)牙 4.1 增加了一項功能，即讓設(shè)備可同時作為低功耗藍(lán)牙“外設(shè)”和“樞紐”。例如，智能手表現(xiàn)在可以作為樞紐，從低功耗藍(lán)牙心率監(jiān)視器收集信息；同時也可作為智能手機的外設(shè)，顯示來自手持設(shè)備的新消息通知。其次，藍(lán)牙 4.1 增加了一個標(biāo)準(zhǔn)方法來創(chuàng)建可用于 IPv6（最新版本的互聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議）的專用通道。

 

此次軟件升級引入的其他增強功能包括： 低功耗藍(lán)牙和蜂窩 LTE 之間的共存改進(jìn)；因開發(fā)人員可以改變重新連接的時間間隔，從而優(yōu)化連接；以及大量數(shù)據(jù)傳輸。

 

同時，互聯(lián)網(wǎng)工程任務(wù)組 (IETF) 將低功耗無線個人局域網(wǎng) (6LoWPAN) 規(guī)范新增至 IPv6。IPv6 的 128 位尋址功能超越了 IPv4 的 32 位尋址功能，可確保添加到物聯(lián)網(wǎng)的幾十億微型傳感器都有唯一的 IP 地址。這樣一來，他們就能直接連接到網(wǎng)絡(luò)上的其他設(shè)備。如為低功耗藍(lán)牙，則傳感器無需網(wǎng)關(guān)服務(wù)即可進(jìn)行 IP 連接和轉(zhuǎn)換。作為廣泛使用的網(wǎng)關(guān)，智能手機是一個很好的示例。

 

IETF 的發(fā)展加上專用通道在藍(lán)牙 4.1 中的引入，使藍(lán)牙 4.2 可以在低功耗藍(lán)牙堆棧中采用互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議支持配置文件 (IPSP)。IPSP 使設(shè)備可以發(fā)現(xiàn)其他支持 IPSP 的設(shè)備，并通過低功耗藍(lán)牙傳輸層使用 IPv6 數(shù)據(jù)包來與之通信。現(xiàn)在大多數(shù)主要低功耗藍(lán)牙芯片供應(yīng)商在其堆棧中采用這種傳輸層。

 

由于增加了 IPSP，低功耗藍(lán)牙設(shè)備現(xiàn)在可以通過簡單便宜的路由器或網(wǎng)關(guān)來與任何其他支持 IPv6 的設(shè)備進(jìn)行通信（圖 3）。由于這種路由器作為中立設(shè)備，中繼 IPv6 數(shù)據(jù)包而不做任何分析或操作，數(shù)百萬已投入使用但以前不兼容的低功耗藍(lán)牙（如機頂盒 (STB) 或 Wi-Fi 路由器）現(xiàn)在也可以作為路由器使用，并且價格低廉。

 

圖 3： 藍(lán)牙 4.2 將互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議支持配置文件 (IPSP) 引入低功耗藍(lán)牙（以前稱為“智能藍(lán)牙”），使設(shè)備可以使用簡單便宜的路由器與互聯(lián)網(wǎng)連接，進(jìn)而與任何其他支持 IPv6 的設(shè)備連接。如有這樣的設(shè)備，也可以通過智能手機網(wǎng)關(guān)進(jìn)行互聯(lián)網(wǎng)接入。（圖片來源： Nordic Semiconductor）

 

 

藍(lán)牙 4.2 還引入了一些安全元素，因此，對于智能燈這類需要經(jīng)常連接到互聯(lián)網(wǎng)且無人工干預(yù)的低功耗藍(lán)牙設(shè)備，不必再擔(dān)憂會遭到黑客攻擊。

 

第一個是低功耗 (LE) 安全連接。直到藍(lán)牙 4.2，安全簡單配對已是藍(lán)牙安全的基本構(gòu)件，只在生成并分配幾個加密密鑰后才會進(jìn)行設(shè)備連接：用于鏈路層加密和認(rèn)證的一個短期密鑰 (STK) 和三個長期密鑰 (LTK)、連接簽名分辨率 (CSRK) 以及身份分辨率 (IRK)。

 

藍(lán)牙 4.2 引入了更高強度的安全性。對于密鑰管理，規(guī)范添加了不對稱橢圓曲線加密法 (ECC)，該加密法采用的是聯(lián)邦信息處理標(biāo)準(zhǔn) (FIPS) 所推薦的橢圓曲線。另外，該規(guī)范還使用 FIPS 認(rèn)可的高級加密標(biāo)準(zhǔn)計數(shù)器，采用了 CBC-MAC (AES-CCM) 加密法進(jìn)行信息加密。其結(jié)果是加強了相鄰設(shè)備間鏈路層的安全性，保護無線鏈路免受無源竊聽和中間人 (MITM) 攻擊。

 

藍(lán)牙 4.2 中增加的第二個安全性功能是 LE 隱私。其可管理控制器設(shè)備及主機設(shè)備中的私人地址解析，同時支持控制器層的私有地址白名單。

 

此外，藍(lán)牙 4.2 將 1 類功率的最大發(fā)射功率模式從 +10 增加到 +20 dB，使設(shè)計人員能夠取消外部電源適配器，從而節(jié)省空間和成本。相比藍(lán)牙 4.1，數(shù)據(jù)包的容量也從 27 個字節(jié)增加到 251 個字節(jié)，數(shù)據(jù)范圍增加了 2.5 倍。這些改進(jìn)使互聯(lián)網(wǎng)上設(shè)備到設(shè)備的通信和連接更高效，上傳更快，無線 (OTA) 固件更新更頻繁。

 

 

低功耗藍(lán)牙的開放標(biāo)準(zhǔn)和市場的成功導(dǎo)致了采用藍(lán)牙 4.0、4.1 和 4.2 后不久，大量供應(yīng)商和產(chǎn)品即遍布市場。一般來說，這些都采用了 SoC 路由。2012 年推出的 Nordic Semiconductor nRF51系列 就是一個很好的例子。該系列基于 ARM Cortex-M0 處理器，并采用低功耗藍(lán)牙收發(fā)器、閃存和 RAM 內(nèi)存、板載電源管理和少量 I/O。

 

Dialog Semiconductor 的 DA14680 SoC 遵循類似的公式。該芯片是符合藍(lán)牙 4.2 的一個設(shè)備，包括一個 ARM Cortex-M0 處理器、低功耗藍(lán)牙無線電、8 Mb 閃存、64 kB OTP ROM、128 kB 數(shù)據(jù) SRAM、128 kB ROM、片上電源管理和其他一些外設(shè)（圖 4）。

 

圖 4： Dialog Semiconductor 的 DA14680 是符合藍(lán)牙 4.2、基于嵌入式 ARM 處理器、敏感的 2.4 GHz 無線電、閃存、RAM 和 ROM 的 BLE SoC 的一個典型示例。（圖片來源： Dialog Semiconductor）

 

除 Nordic 和 Dialog 外，還有許多其他藍(lán)牙 4.1 和 4.2 IC 供應(yīng)商為開發(fā)人員提供解決方案。其中值得注意的是 Texas Instruments (TI) 和 Cypress Semiconductor。

 

 

2016 年 12 月推出的藍(lán)牙技術(shù)最新版本藍(lán)牙 5（不是預(yù)計的“5.0”），使低功耗藍(lán)牙在成為物聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)技術(shù)的道路上更進(jìn)一步。其擴大了范圍和帶寬，增強的功能極為顯著。

 

與以前版本的低功耗藍(lán)牙使用的 1 Mbps PHY 相比，2 Mbps PHY 令帶寬有所增加。由于藍(lán)牙 5 數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)中的固定開銷，PHY 帶寬的加倍不會直接轉(zhuǎn)化為數(shù)據(jù)傳輸加倍，但與藍(lán)牙 4.2 的1 Mbps PHY 提供的 800 kbps相比，開發(fā)人員可以預(yù)計達(dá)到約 1.4 Mbps 的數(shù)據(jù)傳輸速率（圖 5）。

 

圖 5： 藍(lán)牙 5 保留了藍(lán)牙 4.2 的 251 字節(jié)有效載荷，但 2 Mbps PHY 減少了傳輸時間，增加了帶寬。藍(lán)牙 4.2 可以使用 1 Mbps PHY 達(dá)到 800 kbps，而藍(lán)牙 5 可以使用 2 Mbps PHY 達(dá)到 1.4 Mbps。采用藍(lán)牙 5 的范圍增加功能時，即失去帶寬的優(yōu)勢。（圖片來源： Bluetooth.com）

 

更快的吞吐量對許多應(yīng)用雖然有益，但物聯(lián)網(wǎng)的優(yōu)勢在于更快速的 OTA 更新，這是物聯(lián)網(wǎng)傳感器的一個重要考慮因素，有可能需要定期增強功能，以提供更多功能和更高的安全性。此外，使用 2 Mbps PHY 可節(jié)省能耗，原因是在發(fā)送特定數(shù)據(jù)量時，無線電活躍的時間比 1 Mbps 設(shè)備短。無線電處于深度休眠模式的時間也更為長久，這就進(jìn)一步降低了功耗。

 

藍(lán)牙 5 提供比 4.2 高 4 倍的范圍，在許多物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中具有優(yōu)勢。例如，這樣的范圍可以讓一個房子里所有的智能燈通過一個星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與中央集線器通信，而不是較為復(fù)雜、且常用于提高低功耗無線技術(shù)范圍的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。通過使用可檢測和修復(fù)接收器中通信錯誤的前向糾錯功能 (FEC) 改進(jìn)范圍。關(guān)鍵是謹(jǐn)記該技術(shù)的超低功耗特性，范圍并不是通過增加發(fā)射功率來提高的。

 

對于工程師和開發(fā)人員來說，“范圍”定義為從接收的信號中正確提取數(shù)據(jù)的最大距離。范圍增加時，信噪比 (SNR) 也會隨之增加，且開始產(chǎn)生解碼錯誤。藍(lán)牙接收器的最大位誤差率 (BER) 容差為 0.1%，超過此值即會發(fā)生通信故障。要使最大 BER 發(fā)生在更大的范圍內(nèi)，因為提高接收器的靈敏度而不是增加發(fā)射器的功率。

 

藍(lán)牙 4.2 使用循環(huán)冗余檢查 (CRC) 來檢查數(shù)據(jù)包錯誤。接收器會重新計算 CRC 并將值與發(fā)射器增補到數(shù)據(jù)包的值作比較。CRC 值之間的差異指示發(fā)生了錯誤。然而，4.2 沒有在接收器上采用糾錯機制。相反，接收器通常要求重發(fā)數(shù)據(jù)包，因此減慢了整體吞吐量。

 

藍(lán)牙 5 的 FEC 提高了接收器的靈敏度，而未改變硬件。缺點是，為方便糾錯，該技術(shù)在數(shù)據(jù)包中增加了冗余位。將有效數(shù)據(jù)速率降低到 500 kbps 或 125 kbps，取決于采用兩個可用的編碼方案中的哪一個。不幸的是，2 Mbps PHY 不支持 FEC，因此不能用來補償冗余位造成的較低有效吞吐量。

 

由于 FEC 減少有效吞吐量，對給定數(shù)據(jù)量進(jìn)行 4 倍長距離操作時，藍(lán)牙無線必須處于高功率狀態(tài)的時間要長得多。根據(jù)不同的編碼方案，與未編碼傳輸相比，可能需要高達(dá) 13 倍的時間來傳輸標(biāo)準(zhǔn)低功耗藍(lán)牙數(shù)據(jù)包的有效載荷。雖然峰值功耗不會受到影響，但平均功耗會飛漲，因此消耗電池電量的速度更快。

 

在其他改進(jìn)中，藍(lán)牙 5 還引入了廣告擴展。廣告擴展將有效載荷從 27 字節(jié)增加到 251 字節(jié)，從而提高了數(shù)據(jù)傳輸效率。該功能最有可能的應(yīng)用是信標(biāo)應(yīng)用，使零售商可以在廣告包中發(fā)送更多的信息到消費者的智能手機。最新版本的另一個功能是能夠使用數(shù)據(jù)通道進(jìn)行廣播。

 

符合藍(lán)牙 5 的商業(yè) BLE 芯片剛剛起步。一種解決方案是 TI 的CC2640R2F SimpleLink 低功耗藍(lán)牙 SoC。 這種藍(lán)牙 5 芯片集成了 ARM Cortex-M3 處理器、符合藍(lán)牙 4.2 和 5 的 2.4 GHz 無線電（具有 -97 dBm 的靈敏度），片上 DC/DC 轉(zhuǎn)換器和一個不錯的 I/O 和外設(shè)選擇。SoC 還采用 TI 公司豐富的 SDK 支持、參考設(shè)計和其他軟件工具。

 

藍(lán)牙 5 目前不支持諸如 ZigBee 和 ANT+ 等競爭技術(shù)的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)功能。一些制造商已經(jīng)實施了基于低功耗藍(lán)牙的專有網(wǎng)格技術(shù)，特別是現(xiàn)已成為 Qualcomm 一部分的 CSR。由于網(wǎng)格很可能是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的一個關(guān)鍵要求，藍(lán)牙 SIG 正在努力實現(xiàn)它就不顯得奇怪了。下一次的藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)更新（2017 年底）將有望支持網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。

 

 

4.1、4.2 和 5 版標(biāo)準(zhǔn)中對低功耗藍(lán)牙射頻協(xié)議軟件（“堆棧”）做出了諸多重要升級改進(jìn)，使接口在需要較低功耗、更大范圍和更高吞吐量的應(yīng)用中更加實用。然而，這些改變也造成了一些混淆。開發(fā)人員需要對更新及其含義進(jìn)行全面了解才能在其應(yīng)用中充分利用最適當(dāng)?shù)乃{(lán)牙版本。

 

可以看到，藍(lán)牙早期版本的產(chǎn)品解決方案是廣泛可用的，而藍(lán)牙 5 正在迅速攀升。這些解決方案使任何傳感器、產(chǎn)品或設(shè)備可以通過一個簡單便宜的路由器連接到物聯(lián)網(wǎng)，而不是通過智能手機等復(fù)雜的網(wǎng)關(guān)。利用這種連接，即便是最普通的當(dāng)代產(chǎn)品都可具有顯著增強的功能，也可以在設(shè)備使用中頻繁更新。

 

第 2 部分簡介： 記住，本兩部分系列的第 2 部分將說明如何使用符合藍(lán)牙 4.2 和 5 的、廣泛的 SoC 和模塊進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計。

 

結(jié)合成熟的堆棧、開源應(yīng)用軟件、參考設(shè)計和工廠提供的開發(fā)工具，這些組件已摒棄了射頻設(shè)計的魔法。本文將說明，雖然低功耗藍(lán)牙無線產(chǎn)品開發(fā)仍非易事，但工程師可以避免陷阱，想出一個既符合監(jiān)管標(biāo)準(zhǔn)和藍(lán)牙規(guī)范，又能令客戶滿意的設(shè)計。

 

 

1.“Getting Started with Bluetooth Low Energy,” Kevin Townsend, Carles Cufi?, Akiba, and Robert Davidson, O’Reilly.

 

2.“Bluetooth Low Energy: The Developer’s Handbook,” Robin Heydon.

 

3.“Exploring Bluetooth 5 - Going the Distance,” Martin Woolley, Bluetooth.com.

 

4.“A look in to Bluetooth v4.2 for Low Energy Products”