走向超低功耗的蓝牙技术.docx

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1、走向超低功耗的蓝牙技术 今天，地球上几乎没有一部手机不利用蓝牙(Bluetooth)收发器就能连接无线 耳机。同样，如今的大多数新PC也集成了蓝牙芯片，让您在打字的时候也能 自由听说。在汽车领域即便不是大多数，也有许多新车采用了蓝牙技术，让您 驾驶时用免提方式接听电话。然而，虽有如此之便利，但蓝牙技术仍不适合用 在大量应用中，或者至少现在还没有。蓝牙是一种针对连接的协议，用于以相对较高的速度处理连续数据流，使其能 很好地将无线耳机与手机连接。虽然希望保持低功耗，但蓝牙规范的大多数改 变仍着重于提升数据传输速率。能进行同步、异步连接的基本速率(BR)可达 到720 kbpso蓝牙2.0 (200

2、4)增加了 3 Mbps扩数据速率(EDR)(实际大致 为2.1 Mbps) o蓝牙3.0 (2009)通过采用可以在802. 11同地协作链路上进 行通讯的交替式MAC/PHY (AMP)技术，增加了高达24 Mbps的高速(HS)数据 能力。尽管有一些巧妙的设计，但追求更高的速度必然会导致更高的功耗。与此相反，低功耗蓝牙从一开始就被设计成一种超低功耗(ULP)协议，以服务 采用单个硬币电池供电的短距离无线设备，让这些设备工作数月，甚至数年。 蓝牙4.0 (2010)引入了低功耗蓝牙，即采用一个简单的堆栈实现与低功耗设 备的同步通讯，如只是偶尔发送少量数据的无线传感器。在这种技术下，可以 迅

3、速建立连接并在数据交换结束时立即断开，能及时将PA降至最小，进而降 低功耗。蓝牙核心规范4.0包括了完整的“传统蓝牙”、“高速蓝牙”和“低功耗蓝 牙”规范。低功耗蓝牙虽然是全新技术，但设计人员意识到了保持向后兼容已 流通的二十多亿个蓝牙设备将是一大优势。为了既能拥有兼容性，又不会影响 低功耗蓝牙设计，4.0版推出了两种器件：双模芯片 既能与传统蓝牙设备通讯，又能与超低功耗设备中的单模芯片通 讯。单模芯片 运行外形小巧的低功耗蓝牙协议堆栈。这些芯片能和其他采用其 架构中低功耗蓝牙部分的单模芯片或双模芯片通讯。双模芯片刚刚面市，将会在所有手机、个人电脑和汽车上实现蓝牙功能。这些 芯片能与传统蓝牙设

4、备通讯，也能与大量医疗、工业及消费类应用中运行低功 耗蓝牙的芯片通讯。这项新增功能仅需增加极少的硅晶成本。广播的优势低功耗蓝牙无线电在2. 4 GHz ISM频段工作，采用GFSK调制技术在40多个 信道内进行跳频，使数据速率达到1 Mbps。低功耗蓝牙采用两种数据存取方 案：频分多路存取(FDMA)和时分多路存取(TDMA)。在FDMA方案中，LE无线电在间隔为2 MHz的40个物理信道内跳频，其中3 个用作广播信道，剩余37个用作数据信道。在TDMA方案中，一个设备可在 预定时间传输一个数据包，经过预定的时间间隔后扫描设备会对另一个数据包 做出响应。数据在两个时间单位期间，在低功耗蓝牙设备

5、之间传输。其中时间 单位称作事件，包括广播事件（见图1）和连接事件（见图2）。利用广播信道可发现附近的可用设备。蓝牙广播设备发出数据包，说明它有数 据，需要进行数据通讯。然后，扫描设备可能会请求该广播设备发送另一个广 播数据包-使广播通讯就在同一广播信道上完成-或者通常会请求建立一个 双向通讯链路。图1：广播事件（承蒙Bluetooth SIG提供数据）。当请求连接时，这些相同的广播信道用于连接设备，然后继续使用数据信道进 行通讯。在建立连接的过程中，由初始化设备指定数据互换的信道和时间，并 完成与广播设备或者从设备的延迟通讯评估，然后请求更改这些参数，优化功 耗。图2：连接事件（承蒙Blue

6、tooth SIG提供数据）。一旦建立连接，扫描设备便成为主机，广播设备成为从机。此时跳频启动，且 在每个频率下，在所谓的连接事件发生期间进行数据包交换。主机启动每个连 接事件，但主机或者从机都能随时结束通讯。节能仅在极短的时间内开启无线电，是低功耗蓝牙设法最大限度地降低功耗的方法 之一。低功耗蓝牙无线电仅需要扫描3个广播信道来搜索其它设备，所需时 间为0.6 - 1.2 ms；而传统蓝牙无线搜索时必须连续扫描32个信道，每次搜 索所需时间为22.5 mso仅这项技术就使低功耗蓝牙设备的功耗降低至传统蓝 牙设备的1/20 - l/10o 与传统蓝牙一样，低功耗蓝牙仍采用自适应跳频方式，以最大限

7、度地减少同地 协作无线电受到的干扰。不过，低功耗蓝牙采用了3个没有干扰保护的固定 广播信道。之所以选择这些信道，是因为只有在一种情况下（2402 GHz、信道 37）才会与Wi-Fi （信道1）偶尔发生冲突，当然，经过一定设计后是不会与低 功耗蓝牙数据发生冲突的。低功耗蓝牙收发器的数据带宽为1 Mbps,相比同在2. 4 GHz频带下工作的 ZigBee节点，传输相同数据所需的“开启”时间仅为其1/8,因此只通过提 升速度便能将电池续航时间延长至后者的8倍。低功耗蓝牙设备能够在3 ms内完成扫描其它设备、连接、发送数据、确认有 效接收并终止该链路。传统蓝牙设备通常需要几百毫秒才能完成上述一系列

8、任 务，并在此过程中电力消耗超过低功耗蓝牙数个数量级。另外，低功耗蓝牙的数据包也比传统蓝牙的短，因此PA时间也断，进而能延 长电池续航时间。最后，低功耗蓝牙的调制方案也有助于实现低功耗特性以及更好的鲁棒性。传 统蓝牙和低功耗蓝牙均采用高斯频移键控（GFSK）技术。不过，传统蓝牙的调 制指数为0.35,低功耗蓝牙则在0.45与0.55之间，这已接近了高斯最小频 移键控（GMSK）水平。这样的结果便是更高的频谱效率，进而获得比传统蓝牙 更高的鲁棒性，但这样会稍稍增大码间干扰（ISI）的风险。较高调制指数所需 的电力会稍有增加，多于早先介绍的其它节能技术提供的补偿值。表1总结 了传统蓝牙和低功耗蓝牙

9、的差异。技术规格传统蓝牙低功耗蓝牙距离/范围100 m (330 ft)50 m (160 ft)空气中的数据速率1-3 Mb/s1 Mb/s应用吞吐量0. 7-2. 1 Mb/s0. 26 Mb/s活动的从设备7未定义，独立实施安全64/128位和用户自定义应用层带有计数器模式CBC-MAC的128位 AES和用户自定义应用层鲁棒性自适应快速跳频、FEC、快速ACK自适应跳频、迟缓确认、24位CRC、32位信息完整性检验延迟（自未连接 状态起）通常100 ms6 ms发送数据的总时 间（det.电池续 航时间）100 ms6 ms语音功能是无网络拓扑散射网Star-bus功耗1 （作为基准）

10、0.01 -0.5 （视使用情况而定）峰值电流消耗30 mA20 mA （纽扣电池供电时最高15 mA）服务发现是是规范概念是是主要应用手机、游戏机、耳机、立体声音 频流、汽车、个人电脑、安防、 接近、医疗保健、体育和健身等手机、游戏机、个人电脑、手表、 医疗保健、体育和健身、安防和接 近、汽车、家用电子、自动化、工 业等表1:传统蓝牙和低功耗蓝牙（摘自：维基百科）。堆栈架构 令人奇怪的是，单模低功耗蓝牙收发器满负荷工作时的功耗并不比传统蓝牙低 多少（20 mA比30 mA）。节能主要是通过堆栈架构完成的，在这一架构下可 以实现许多电池节能技术。低功耗蓝牙协议堆栈（见图3）包括一个控制器和一个

11、主机。堆栈的具体构成 如下： 物理层（PHY）：在物理信道上传输和接收数据包。这种情况下，2.4 GHz ISM 频段内GFSK数据包的速率为1 Mbpso 链路层（LL）：控制收发器的RF状态，确定其是在广播、扫描、初始化、已 连接还是待机。 主机控制器接口田酊）：处理主机和控制器之间的所有通讯，通常是通过 SPR USB 或者 UART。 逻辑链路控制和自适应协议（L2CAP）：为上层提供数据封装服务。进行流量 管理，控制向基带提交协议数据单元的顺序，确保QoS能访问物理信道。 属性协议（ATT）：使一个设备能向其他设备泄露其一定的属性。ATT块在属 性服务器和客户端之间建立点对点通讯，从

12、而在专用的L2cAp信道上交换这些 信息。 安全管理器（SM）：可以生成、管理、保存密码和识别码，使两个设备在专用 L2CAP信道上安全通讯。低功耗蓝牙采用带有计数器模式CBC-MAC的128位 AES加密技术和用户自定义应用层。 通用属性规范（GATT）：定义使用ATT所需的子程序，规定蓝牙规范的结 构c蓝牙设备之间的全部通讯均由GATT子程序处理c 通用访问规范（GAP）：这种模块在应用和蓝牙规范之间提供接口，处理设备 发现、连接和服务（含安全程序）。图3： BLE协议堆栈(承蒙Texas Instruments提供数据)。蓝牙应用和设备通过一组称作规范的高度结构化程序实现相互通讯。规范的

13、级 别可以很低-例如用于连接IrDA设备或者建立安全链路-或者以成组方式服 务高级别的应用。例如，现已有用于监测病人血压(BLS)、心率(HRS)、体温 (HTP)的低功耗蓝牙协议；将这些协议汇集在一起就可构成一组医疗保健规 范。蓝牙技术联盟(Bluetooth SIG)正在为消费类、医疗保健、工业应用定义 规范，并预测这些应用领域的低功耗蓝牙设备将迅猛增加。低功耗蓝牙芯片从2011年下半年起，市场上才开始在出现低功耗蓝牙芯片。Texas Instruments向市场推出了 CC2540蓝牙片上系统，成为首批提供此类芯片的 制造商之一。CC2540是一款单模芯片，集成了一个8051 MCU、8

14、 KB RAM、 128-256 KB闪存、RF收发器、一个单模协议堆栈、嵌入式规范软件以及全套 外设。该器件可作为主机或者从机，3V时的电流消耗在接收模式下仅15. 8 mA,发送模式下 18. 6 mA (-6 dBm) oTI还向开发人员推出针对CC2540的CC2540DK-MINI开发套件。该套件包括 一个CC2540 USB适配器、一个CC2540秘钥板和塑料外壳、一个带电缆的CC 调试器、一根微型USB电缆、一颗CR2032电池和套件说明文档。利用附带的 BTool应用程序和Simple Keys GATT规范，您可在适配器和秘钥板之间建立 连接，然后体验各种不同的安全和低级别功

15、能。TI提供可以编辑的血压传感 器、心率传感器、体温计示例源代码。您可以使用SmartRF闪存编程器和CC 调试器将这些代码下载到CC2540,然后在适配器上运行。图 4： CC2540DK-MINI 开发套件（承蒙 Texas Instruments 提供数据）。此外，BlueRadios, Inc.也基于 CC2540 推出 BR-EVAL-LE4. 0-S2A 评估套件。 该套件提供一个即用型BLE设备，以及采用类似AT调制解调器的简单指令、 嵌入式蓝牙堆栈和规范（GAP、GATT、ATT、SMP. L2CAP和BATT）。可利用简 单的ASCH字符串通过RF链路，或者利用UART、SP

16、I或USB通过硬件串行连 接，对设备进行配置、控制，向其发指令。Panasonic的ENW-89820A1KF是一款针对移动电话、PDA和笔记本电脑的单模 低功耗蓝牙模块。该模块包括一个8051 MCU、高达256 kb的闪存、8 kb RAM、一个AES安全协处理器、IR发生电路、一个USB 2.0接口以及全套低功 耗蓝牙软件堆栈。PAN1720模块采用很小的15.6 mm x 8. 7 mm x 1.9 mm SMD 封装，配备屏蔽外壳。图5： Panasonic的ENW-89820A1KF单模低功耗蓝牙模块(承蒙Panasonic提 供数据)。CSR现正大量生产低功耗蓝牙芯片，其中包括C

17、SR1000A04-IQQM-R。CSR Energy平台在单芯片上集成了 RF、基带、微控制器、合格的蓝牙4. 0堆 栈，并能运行客户应用程序，能为您提供创建低功耗蓝牙产品所需的一切。CSR Energy平台采用两种变体芯片。CSR1OO1芯片针对键盘、远程控制进行了优 化，具有专用的键盘扫描硬件。CSR1OOO采用较小封装，适用于健身产品、手 表、鼠标和其他传感器。其他协议短距离无线市场现在拥挤纷乱，并没有一个通用解决方案来满足各种各样的要 求。大多数协议基于仅定义了 PHY、MAC层的IEEE 802. 15.4协议，然后每种 协议再根据各自的需要定义不同的网络层。ZigBee大概是应用

18、最广的 802. 15.4协议变体，6LoWPAN和WirelessHART，M也有其应用市场，还有获得 专利的 ANT，Z-Wave、MiWiT SimpliciTIo低功耗蓝牙的适用领域及其适用性上述每一种标准化协议都有各自最适合的领域：6LOWPAN提供互联网连接， WirelessHART用于自愈网状网络，而这些并不是低功耗蓝牙的目标市场。另 一方面，ZigBee的RF4CETM协议针对许多与蓝牙低功耗相同的应用，但是，作 为一个更复杂的协议，该协议一方面在组网时具有更好的表现-低功耗蓝牙只 能在星形配置下工作-然而其功耗颇高，远不能很好地适应超低功耗应用，例 如需要电池续航时间尽可能长的医疗传感器、工业和军事应用。在消费领域，ANT已在慢跑心率监视以及一些其他体域网(BAN)应用方面广为 使用。ANT与低功耗蓝牙类似，也是一种针对低数据速率的超低功耗协议。ANT 将是一个强有力的竞争对手，但低功耗蓝牙拥有一个巨大优势-兼容二十多亿 个已安装的设备并得到了消费群体的广泛认可。ANT芯片主要供应商Texas Instruments和Nordic Semiconductor也在大力支持低功耗蓝牙，这一事实 说明低功耗蓝牙不久将取代ANT,成为超低功耗无线设备中的主导协议。