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低功耗藍芽的技術細節

藍芽的便捷性以及全球認可度,使任何支援藍芽的裝置都能通過配對流程與鄰近的其他裝置連線。配對後的裝置可建立全雙工通訊,通過被稱為“微微網”的短程專用網路傳輸資料和語音。微微網最多可連線八臺裝置,其中一臺裝置作為主裝置,其他裝置作為網路/微微網內的從屬裝置。主裝置作為集線器,從屬裝置通過主裝置互相通訊。藍芽技術的另一大重要特徵,就是使用跳頻來減少干擾的影響。
藍芽技術全雙工通訊能力為使用者提供了諸多創新功能,比如連線手機與藍芽音箱、開車時的擴音電話、兩臺膝上型電腦之間共享檔案以及連線遊戲機與支援藍芽的遊戲控制器等。
低功耗藍芽:
低功耗藍芽是一種智慧、低功耗的藍芽無線技術。這項技術通過縮小智慧裝置的尺寸、降低其價格與複雜性進一步提高了其智慧化程度。
低功耗藍芽,也可稱其為智慧藍芽,一開始是藍芽4.0核心規格的一部分。在被藍芽技術聯盟採納前,它是由諾基亞所設計的一項短距離無線通訊技術,其最初的目標是提供功耗最低的無線標準,並且專門在低成本、低頻寬、低功耗與低複雜性方面進行了優化。這些設計目標在核心規格中得以顯現:低功耗藍芽正努力成為一項專為半導體制造商以及低功耗、低成本實際應用所設計的低功耗標準。目前,低功耗藍芽技術已被廣泛使用,並且只需一粒鈕釦電池就能執行很長時間。
雖然低功耗藍芽本身是一項卓越的技術,而真正令其被廣泛採納的原因,是這項技術在恰當的時間作出了適當的妥協。 雖然是一項相對新的標準,但已經加入低功耗藍芽技術的產品設計數量已遠遠超過其他無線技術在相同階段時的產品數量。
傳統藍芽所面臨的挑戰是電池的快速耗盡以及連線斷開次數頻繁,因此需要進行頻繁的重複配對。低功耗藍芽成功地解決了這些問題,而這也是這項技術能夠得到快速發展的原因之一。而智慧手機、平板電腦與移動計算機裝置的飛速發展進一步推動了這項技術的普及。移動行業巨頭提前積極採納低功耗藍芽更為這項技術的普及開闢了道路,這轉而促使半導體制造商將其有限的資源投入到這項他們認為最有可能長期蓬勃發展的技術。
隨著移動裝置和平板電腦市場越加成熟,外界與這些裝置之間的連線需求創造了巨大的增長潛力。這是外圍裝置供應商開發創新裝置,解決消費者甚至在當前還沒有意識到的問題的絕佳機會。因此,低功耗藍芽集聚了諸多優勢,為靈活的小型產品設計者創造了憑藉相對較低的設計預算,以特定功能、富有創意和創新的產品進入大市場的機會。低功耗藍芽還使這些開發者能夠在今天使用易於獲取的晶片、工具和標準設計出與任何先進移動平臺進行通訊的產品。
特性
最低功耗
從外形設計到使用方式,一切皆以最低功耗為設計目標。為了減少功耗,低功耗藍芽裝置大部分時間會處於睡眠模式。當活動發生時,裝置會自動被喚醒並且向閘道器、個人電腦或智慧手機發送一則短訊。最大/峰值功耗不超過15毫安,平均功耗約為1微安。使用時的功耗被降低到傳統藍芽的十分之一。在使用較少的應用中,一粒鈕釦電池就能維持5至10年的穩定執行。
高成本效益與相容性
為了相容傳統藍芽技術並實現小型電池供電裝置的成本效益,有兩種晶片組可供選擇:
具備低功耗藍芽技術與傳統藍芽功能的雙模技術。

以低成本與低功耗為主的專為小型電池供電裝置優化的純低功耗藍芽技術
穩定性、安全性與可靠性
低功耗藍芽技術使用與傳統藍芽技術相同的自適應跳頻 (AFH) 技術,因而能確保低功耗藍芽能夠在住宅、工業與醫療應用中的“嘈雜”射頻環境中維持穩定的傳輸。為了最大程度地減少使用AFH的成本與功耗,低功耗藍芽技術已將通道數量從傳統藍芽技術的79個1兆赫茲寬通道減少至40個2兆赫茲的寬通道。
無線共存
藍芽技術、無線LAN、IEEE 802.15.4/無線個域網以及許多專有的無線電均使用無需認證許可的2.4千兆赫工業科學醫療(ISM)頻帶。由於共享這一無線電波空間的技術過多,因此無線效能會因干擾所引發的錯誤修正與重複傳送而下降(例如延遲時間增加和吞吐量減少等)。在要求嚴格的應用中,可通過頻率規劃與特殊的天線設計減少干擾。由於傳統藍芽與低功耗藍芽均使用AFH這項可以最大程度減少其他無線電技術干擾的技術,因此藍芽傳輸具有出色的穩定性與可靠性。
連線範圍
低功耗藍芽技術的調製與傳統藍芽技術略有不同。這一不同的調製以10毫瓦分貝的無線晶片組(低功耗藍芽最大功率)實現了高達300米的連線範圍。
易用性和整合性
低功耗藍芽微微網一般基於一臺與多臺從裝置連線的主裝置。微微網中,所有裝置要麼是主裝置,要麼是從裝置,但無法同時當主裝置和從裝置。主裝置控制從屬裝置的通訊頻率,而從屬裝置只能根據主裝置的要求進行通訊。相比傳統藍芽技術,低功耗藍芽技術所增加的一項新功能就是“廣播”功能。通過這項功能,從裝置可以告知其需要向主裝置傳送資料。廣播訊息還包括活動或測量值。
穩定性、安全性與可靠性
低功耗藍芽技術使用與傳統藍芽技術相同的自適應跳頻 (AFH) 技術,因而能確保低功耗藍芽能夠在住宅、工業與醫療應用中的“嘈雜”射頻環境中維持穩定的傳輸。為了最大程度地減少使用AFH的成本與功耗,低功耗藍芽技術已將通道數量從傳統藍芽技術的79個1兆赫茲寬通道減少至40個2兆赫茲的寬通道。
無線共存
藍芽技術、無線LAN、IEEE 802.15.4/無線個域網以及許多專有的無線電均使用無需認證許可的2.4千兆赫工業科學醫療(ISM)頻帶。由於共享這一無線電波空間的技術過多,因此無線效能會因干擾所引發的錯誤修正與重複傳送而下降(例如延遲時間增加和吞吐量減少等)。在要求嚴格的應用中,可通過頻率規劃與特殊的天線設計減少干擾。由於傳統藍芽與低功耗藍芽均使用AFH這項可以最大程度減少其他無線電技術干擾的技術,因此藍芽傳輸具有出色的穩定性與可靠性。
連線範圍
低功耗藍芽技術的調製與傳統藍芽技術略有不同。這一不同的調製以10毫瓦分貝的無線晶片組(低功耗藍芽最大功率)實現了高達300米的連線範圍。
易用性和整合性
低功耗藍芽微微網一般基於一臺與多臺從裝置連線的主裝置。微微網中,所有裝置要麼是主裝置,要麼是從裝置,但無法同時當主裝置和從裝置。主裝置控制從屬裝置的通訊頻率,而從屬裝置只能根據主裝置的要求進行通訊。相比傳統藍芽技術,低功耗藍芽技術所增加的一項新功能就是“廣播”功能。通過這項功能,從裝置可以告知其需要向主裝置傳送資料。廣播訊息還包括活動或測量值。
技術細節
資料傳輸 – 低功耗藍芽支援以1Mbps速度傳輸的極小資料包(8個八位位元組到27個八位位元組)。所有連線使用高階低耗電監聽模式,從而實現超低工作週期,將功耗降至最低。
跳頻 – 低功耗藍芽使用藍芽技術通用的自適應跳頻技術將2.4千兆赫ISM頻帶內的其他技術干擾減至最小。高效的多路徑優勢增加了鏈路預算和有效的執行範圍,同時也優化了功耗。
主機控制 – 低功耗藍芽具有極具智慧化的控制功能。主機可以長時間處於睡眠模式,並且只在主機需要執行時才會被控制器喚醒。由於主機處理器的功耗一般高於低功耗藍芽控制器,因而實現了最大程度的節能。
時延 – 低功耗藍芽支援3毫秒內的連線設定與資料傳輸。因此,在短時突發通訊中,應用可以在數毫秒內建立連線並且傳輸經過驗證的資料,然後迅速斷開連線。
距離 – 調製指數的增加使低功耗藍芽的最大距離達到100米以上。
穩定性 – 低功耗藍芽在所有資料包上使用強大的24位 CRC保證最佳的抗干擾能力。
強大的網路安全性 – 使用CCM的完整 AES-128加密技術提供強大的資料包加密與驗證,確保通訊的安全。
拓撲結構 – BLE在從屬裝置的每個資料包上使用 32位訪問地址,從而可以連線數十億臺裝置。這一技術專為一對一連線而優化,同時在一對多連線時將使用星型拓撲結構。
傳統藍芽與低功耗藍芽之間的比較

應用
正因為幾乎所有便攜裝置都支援BLE,其完全可以運用到各種行業的各種新應用裡。比如在展會上,BLE將可以在以下方面幫助公司更有效地贏得新客戶:
遊戲– 通過獎勵展會觀眾利用低功耗藍芽技術找到安放在某些位置的Beacon,參展方可以吸引到這些觀眾主動走到那些受到冷遇的領域。
贊助 – 通過Beacon向參展觀眾推送通知鼓勵他們在經過展會特定區域時檢視附近展位,這可以為向贊助商提供的一項高階服務,從而實現額外收入。
熱圖 – Beacon可以獲取實時統計資料,識別熱點並且通知活動管理者人數過多從而可能產生安全隱患的地點。
內容釋出 – 參會者無需再等待通過電子郵件獲取會議幻燈片。BLE Beacon信標可以與會者並且在會議期間或結束後立即自動傳送幻燈片、電子書和其他材料。
自動簽到 - 活動組織者在會場入口設定模擬簽到的Beacon,就可以輕鬆獲得有關活動或展會參加人數的資訊並且實時檢視他們的個人檔案。使用者無需在場。如果使用者下載該應用並且在其移動裝置上啟動藍芽功能,則該應用會在使用者走進會場時立刻進行自動簽到。
低功耗藍芽已有了一個成熟的生態圈。開發者已經可以獲得各種能夠加快BLE裝置硬體與軟體開發速度的晶片與模組。