【導讀】4.1、4.2 和 5 版標準中對低功耗藍牙射頻協(xié)議軟件（“堆棧”）做出了重要升級改進，除了其根本的消費性，還大大提高了針對各種應用的實用性，特別是物聯(lián)網 (IoT) 相關的應用。然而，技術的快速發(fā)展，加上低功耗藍牙及常規(guī)（或“經典”）藍牙的功能和互操作性模糊不清，已導致了一些混淆。設計人員和開發(fā)人員若要優(yōu)化其設計，同時確保充分利用藍牙的功能，需要充分了解哪種技術最適合其特定應用。
本文章?lián)碛袃刹糠?，將通過定義低功耗藍牙來解決這種混淆。然后介紹規(guī)范 4.1、4.2 和 5 中對該技術所做的增強，使其適合于不是原本目標的應用。這些應用包括超低功耗、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，射頻經驗極少的設計人員如何使用眾多供應商提供的 SoC、模塊、固件及硬件和軟件開發(fā)套件 (SDK) 來設計低功耗藍牙無線產品。
針對低功耗進行優(yōu)化
隨著藍牙 4.0 在 2010 年被采用，低功耗藍牙作為超低功耗、可互操作式的藍牙短距離無線技術而引入。該技術將藍牙生態(tài)系統(tǒng)擴展到可穿戴電子設備等電池容量較小的應用。其在目標應用中的平均電流是微安級，補充了傳統(tǒng)藍牙。原規(guī)范的主要特點：
- 輕型協(xié)議棧。
- 與 4.0 以上版本藍牙的互操作性。
- 1 Mbps 的原始數(shù)據(jù)速率。
- 10 米左右的傳輸距離。
- 對其他 2.4 GHz 無線電源的高抗擾度。
該技術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的數(shù)據(jù)。這些設備很少發(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。
在藍牙 4.0 內核規(guī)范中，輕型低功耗藍牙堆棧包括物理層 (PHY)（負責傳輸比特）、鏈路層 (LL)（負責定義數(shù)據(jù)包結構和控制）和主機控制接口 (HCI)。這三層統(tǒng)稱為低功耗藍牙鏈路控制器（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)，主要負責為應用和服務提供基于通道的抽象。其可通過共享邏輯鏈路進行應用數(shù)據(jù)的碎片化和去碎片化，以及復用和去復用多通道。
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)設備間的安全功能。ATT 提供了一個通過固定 L2CAP 通道進行少量數(shù)據(jù)通信的方法。另外，ATT 還會用于確定其他設備的服務和功能。通用屬性 (GATT) 配置文件指定了交換配置文件數(shù)據(jù)的結構。這種結構定義了應用中使用的服務和特征等基本要素。最后，通用訪問配置文件 (GAP) 定義了藍牙設備的基本要求。應用軟件位于堆棧的頂部（圖 1）。
圖 1： 顯示了控制器、主機和應用的低功耗藍牙協(xié)議棧。通用屬性配置文件 (GATT) 定義了藍牙設備的基本要求。（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，藍牙內核規(guī)范定義了兩種芯片類型：
- 上述低功耗藍牙芯片和堆棧。
- 采用經修改堆棧的藍牙芯片，加上集成以前版本的基本速率 (BR)/增強型數(shù)據(jù)速率 (EDR) PHY 以及低功耗 (LE) PHY（“BR/EDR + LE”），使其可與該標準的所有版本和芯片變體進行互操作。
本文（和第 2 部分）主要討論了低功耗藍牙設備。在許多消費應用中，該設備可與藍牙芯片協(xié)同工作，但由于 4.1、4.2 和 5 版中增強了標準，其正越來越多地作為一個獨立的物聯(lián)網應用設備使用。
低功耗藍牙芯片可以與藍牙 4.0 或更高版本的其他低功耗藍牙芯片和藍牙芯片互操作。請注意，藍牙芯片用于智能手機、平板電腦和個人電腦等應用，而對這些應用來說，帶寬比功耗更為重要。不過，他們也可以與藍牙 3.0 及更早版本的藍牙芯片互操作（圖 2）。
圖 2： 藍牙 4.0 基于兩個設備，藍牙芯片（帶 BR/EDR + LE PHY）和低功耗藍牙芯片 (LE PHY)（圖片的中間和右側）。這些設備可互操作。藍牙芯片也可以與藍牙 3.0 及更早版本的經典藍牙芯片互操作（左）。（圖片來源： Nordic Semiconductor。）
低功耗藍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。其超低功耗的關鍵是，傳統(tǒng)藍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。
與藍牙的 32 個廣告通道相比，低功耗藍牙僅使用三個就可搜索其他設備或宣告其自身的存在。低功耗藍牙啟動 0.6 到 1.2 毫秒掃描其他設備，而藍牙需要 22.5 毫秒掃描 32 個通道，多消耗高達 20 倍的能量。
連接后，低功耗藍牙會切換到其 37 個數(shù)據(jù)通道之一，然后使用原藍牙規(guī)范首創(chuàng)的采用 79 個通道的自適應跳頻 (AFH) 技術，在偽隨機模式下于通道間進行切換，從而避免干擾。低功耗藍牙可在 3 毫秒內完成其連接 - 掃描、鏈路、發(fā)送數(shù)據(jù)、驗證和終止，相比藍牙使用的幾百毫秒，又一次節(jié)約了能耗。
該技術還使用了比藍牙更多的“寬松”射頻參數(shù)，從而也節(jié)省了功耗。這兩種技術均使用高斯頻移鍵控 (GFSK) 調制；不過，智能藍牙使用了 0.5 的調制指數(shù)而非經典藍牙的 0.35，因此降低功耗要求。較低的調制指數(shù)也有助于擴大范圍以及增強堅固性。
最后，低功耗藍牙使用的數(shù)據(jù)包比藍牙使用的短。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程序和閉環(huán)架構。
為物聯(lián)網做準備
在消費應用中，智能手機通常作為低功耗藍牙設備的數(shù)據(jù)到達云的“網關”。這適用于健身腕帶等以人為本的應用，但對于家庭或工業(yè)自動化等應用則不太理想，因為這些應用不太可能會一直都能使用智能手機。在物聯(lián)網應用中實現(xiàn)該技術時，引入了藍牙 4.1（部分）以解決這一弱點。
藍牙 4.1 增加了一項功能，即讓設備可同時作為低功耗藍牙“外設”和“樞紐”。例如，智能手表現(xiàn)在可以作為樞紐，從低功耗藍牙心率監(jiān)視器收集信息；同時也可作為智能手機的外設，顯示來自手持設備的新消息通知。其次，藍牙 4.1 增加了一個標準方法來創(chuàng)建可用于 IPv6（最新版本的互聯(lián)網通信協(xié)議）的專用通道。
此次軟件升級引入的其他增強功能包括： 低功耗藍牙和蜂窩 LTE 之間的共存改進；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)網工程任務組 (IETF) 將低功耗無線個人局域網 (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絡上的其他設備。如為低功耗藍牙，則傳感器無需網關服務即可進行 IP 連接和轉換。作為廣泛使用的網關，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牙 4.1 中的引入，使藍牙 4.2 可以在低功耗藍牙堆棧中采用互聯(lián)網協(xié)議支持配置文件 (IPSP)。IPSP 使設備可以發(fā)現(xiàn)其他支持 IPSP 的設備，并通過低功耗藍牙傳輸層使用 IPv6 數(shù)據(jù)包來與之通信?，F(xiàn)在大多數(shù)主要低功耗藍牙芯片供應商在其堆棧中采用這種傳輸層。
由于增加了 IPSP，低功耗藍牙設備現(xiàn)在可以通過簡單便宜的路由器或網關來與任何其他支持 IPv6 的設備進行通信（圖 3）。由于這種路由器作為中立設備，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： 藍牙 4.2 將互聯(lián)網協(xié)議支持配置文件 (IPSP) 引入低功耗藍牙（以前稱為“智能藍牙”），使設備可以使用簡單便宜的路由器與互聯(lián)網連接，進而與任何其他支持 IPv6 的設備連接。如有這樣的設備，也可以通過智能手機網關進行互聯(lián)網接入。（圖片來源： Nordic Semiconductor）
藍牙 4.2 打擊黑客
藍牙 4.2 還引入了一些安全元素，因此，對于智能燈這類需要經常連接到互聯(lián)網且無人工干預的低功耗藍牙設備，不必再擔憂會遭到黑客攻擊。
第一個是低功耗 (LE) 安全連接。直到藍牙 4.2，安全簡單配對已是藍牙安全的基本構件，只在生成并分配幾個加密密鑰后才會進行設備連接：用于鏈路層加密和認證的一個短期密鑰 (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)邦信息處理標準 (FIPS) 所推薦的橢圓曲線。另外，該規(guī)范還使用 FIPS 認可的高級加密標準計數(shù)器，采用了 CBC-MAC (AES-CCM) 加密法進行信息加密。其結果是加強了相鄰設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。其可管理控制器設備及主機設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。這些改進使互聯(lián)網上設備到設備的通信和連接更高效，上傳更快，無線 (OTA) 固件更新更頻繁。
升級后不久，解決方案便迅速問世
低功耗藍牙的開放標準和市場的成功導致了采用藍牙 4.0、4.1 和 4.2 后不久，大量供應商和產品即遍布市場。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，并采用低功耗藍牙收發(fā)器、閃存和 RAM 內存、板載電源管理和少量 I/O。
Dialog Semiconductor 的 DA14680 SoC 遵循類似的公式。該芯片是符合藍牙 4.2 的一個設備，包括一個 ARM Cortex-M0 處理器、低功耗藍牙無線電、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（圖 4）。
圖 4： Dialog Semiconductor 的 DA14680 是符合藍牙 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，還有許多其他藍牙 4.1 和 4.2 IC 供應商為開發(fā)人員提供解決方案。其中值得注意的是 Texas Instruments (TI) 和 Cypress Semiconductor。
藍牙 5 增加范圍和帶寬
2016 年 12 月推出的藍牙技術最新版本藍牙 5（不是預計的“5.0”），使低功耗藍牙在成為物聯(lián)網基礎技術的道路上更進一步。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牙使用的 1 Mbps PHY 相比，2 Mbps PHY 令帶寬有所增加。由于藍牙 5 數(shù)據(jù)包結構中的固定開銷，PHY 帶寬的加倍不會直接轉化為數(shù)據(jù)傳輸加倍，但與藍牙 4.2 的1 Mbps PHY 提供的 800 kbps相比，開發(fā)人員可以預計達到約 1.4 Mbps 的數(shù)據(jù)傳輸速率（圖 5）。
圖 5： 藍牙 5 保留了藍牙 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。藍牙 4.2 可以使用 1 Mbps PHY 達到 800 kbps，而藍牙 5 可以使用 2 Mbps PHY 達到 1.4 Mbps。采用藍牙 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用雖然有益，但物聯(lián)網的優(yōu)勢在于更快速的 OTA 更新，這是物聯(lián)網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 設備短。無線電處于深度休眠模式的時間也更為長久，這就進一步降低了功耗。
藍牙 5 提供比 4.2 高 4 倍的范圍，在許多物聯(lián)網應用中具有優(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撲結構與中央集線器通信，而不是較為復雜、且常用于提高低功耗無線技術范圍的網狀網絡。通過使用可檢測和修復接收器中通信錯誤的前向糾錯功能 (FEC) 改進范圍。關鍵是謹記該技術的超低功耗特性，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，且開始產生解碼錯誤。藍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，因為提高接收器的靈敏度而不是增加發(fā)射器的功率。
藍牙 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)量進行 4 倍長距離操作時，藍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 13 倍的時間來傳輸標準低功耗藍牙數(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。
在其他改進中，藍牙 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用是信標應用，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)通道進行廣播。
符合藍牙 5 的商業(yè) BLE 芯片剛剛起步。一種解決方案是 TI 的CC2640R2F SimpleLink 低功耗藍牙 SoC。 這種藍牙 5 芯片集成了 ARM Cortex-M3 處理器、符合藍牙 4.2 和 5 的 2.4 GHz 無線電（具有 -97 dBm 的靈敏度），片上 DC/DC 轉換器和一個不錯的 I/O 和外設選擇。SoC 還采用 TI 公司豐富的 SDK 支持、參考設計和其他軟件工具。
藍牙 5 目前不支持諸如 ZigBee 和 ANT+ 等競爭技術的網狀網絡功能。一些制造商已經實施了基于低功耗藍牙的專有網格技術，特別是現(xiàn)已成為 Qualcomm 一部分的 CSR。由于網格很可能是物聯(lián)網應用的一個關鍵要求，藍牙 SIG 正在努力實現(xiàn)它就不顯得奇怪了。下一次的藍牙標準更新（2017 年底）將有望支持網狀網絡。
總結
4.1、4.2 和 5 版標準中對低功耗藍牙射頻協(xié)議軟件（“堆棧”）做出了諸多重要升級改進，使接口在需要較低功耗、更大范圍和更高吞吐量的應用中更加實用。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行全面了解才能在其應用中充分利用最適當?shù)乃{牙版本。
可以看到，藍牙早期版本的產品解決方案是廣泛可用的，而藍牙 5 正在迅速攀升。這些解決方案使任何傳感器、產品或設備可以通過一個簡單便宜的路由器連接到物聯(lián)網，而不是通過智能手機等復雜的網關。利用這種連接，即便是最普通的當代產品都可具有顯著增強的功能，也可以在設備使用中頻繁更新。
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牙 4.2 和 5 的、廣泛的 SoC 和模塊進行產品設計。
結合成熟的堆棧、開源應用軟件、參考設計和工廠提供的開發(fā)工具，這些組件已摒棄了射頻設計的魔法。本文將說明，雖然低功耗藍牙無線產品開發(fā)仍非易事，但工程師可以避免陷阱，想出一個既符合監(jiān)管標準和藍牙規(guī)范，又能令客戶滿意的設計。
參考資料：
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”
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