【導讀】現(xiàn)如今的藍牙3.0還未普及，但是藍牙4.0規(guī)范已經(jīng)成為又一次藍牙技術(shù)史上的革新。本文對藍牙4.0技術(shù)特性進行了較為細致的講解，闡述了低功耗藍牙技術(shù)的全新應用模式。
當前的家庭客廳系統(tǒng)，點對點架構(gòu)已經(jīng)帶來糾纏不清的線纜和混亂，如果我們還想把游戲機、數(shù)碼相機、DV、耳機、麥克風還有移動電話都連接起來，可能還得考慮增加USB、1394、SPDIF以及各種充電器和電源插座線纜。
有沒有一種通用的、不需要用戶干預的簡便方法把各種電子設備連接在一起，而又不至于被線纜淹沒呢？在Wi-Fi之外，大家現(xiàn)在已經(jīng)比較熟悉的“藍牙”正是這樣一種連接技術(shù)，它被設計為面向個人和家庭的無線式自動連接，其三大核心特點便是無線、低成本和自動化。
你是通過什么途徑來了解并熟悉藍牙技術(shù)的？我想對于絕大部分用戶而言，無非是兩個途徑—藍牙耳機或者手機的藍牙功能。也許你知道如何用藍牙功能，但是你了解藍牙技術(shù)嗎？未必！尤其是在洗盡浮華而轉(zhuǎn)重視實用層面的藍牙4.0技術(shù)發(fā)布之后，藍牙的應用面又得到了極大的擴展。從1.0的失敗到4.0的革新變遷，藍牙技術(shù)經(jīng)歷了哪些改變和進化？藍牙技術(shù)的基本原理是什么？當然還有大家最關(guān)心的藍牙4.0到底能給我們帶來什么？我們即將為您一一解答。
Bluetooth 4.0 協(xié)議組成
和當前主流的Bluetooth2.x+EDR、還未普及的Bluetooth3.0+HS不同，Bluetooth 4.0是Bluetooth從誕生至今唯一的一個綜合協(xié)議規(guī)范，還提出了低功耗藍牙、經(jīng)典藍牙和高速藍牙三種模式。其中高速藍牙主攻數(shù)據(jù)交換與傳輸，經(jīng)典藍牙則以信息溝通、設備連接為重點，藍牙低功耗顧名思義，以不需占用太多帶寬的設備連接為主。這三種協(xié)議規(guī)范還能夠互相組合搭配、從而實現(xiàn)更廣泛的應用模 式，此外，Bluetooth 4.0還把藍牙的傳輸距離提升到100米以上（低功耗模式條件下）。
Bluetooth SIG表示，正式推出Bluetooth 4.0的用意就是希望能夠通過單一的接口，讓應用系統(tǒng)自己挑選技術(shù)使用，而不是讓消費者進行設備互連時，還要手動選擇各項設備的連接模式，這一人性化的功 能取向顯然沿襲了藍牙關(guān)注可用性和實際體驗的設計思路，三種應用模式中，因為經(jīng)典藍牙和高速藍牙都只是對舊有藍牙版本的延續(xù)和強化，下面我們將重點闡述將全新的低功耗藍牙技術(shù)。
Bluetooth 4.0 低耗電模式在應用模式上的改變和提升
低功耗藍牙的前身其實是NOKIA開發(fā)的Wibree技術(shù)，本是作為一項專為移動設備開發(fā)的極低功耗的移動無線通信技術(shù)，在被SIG接納并規(guī)范化之后重新命名為Bluetooth Low Energy（后簡稱低功耗藍牙）。由于該技術(shù)專為極低電池量的裝置而設計，僅通過普通紐扣電池供電便可確保長達一年的正常使用，因此在包括醫(yī)療、工業(yè)控制、無線鍵盤、鼠標、甚至單音耳機、無線遙控器等設備領(lǐng)域都可得到廣泛應用。譬如裝有記步器的運動鞋、裝有脈搏量測的運動手環(huán)等，就可以通過低功耗藍牙低功耗技術(shù)將監(jiān)控信息傳送到記錄器（能是手表或是PDA）上，而不需像標準藍牙設備一般需要常常充電。它易于與其它藍牙技術(shù)整合，既可補足藍牙技術(shù)在無線個人區(qū)域網(wǎng)絡（PAN）的應用，也能加強該技術(shù)為小型設備提供無線連接的能力。
如果說Wibree的超低功耗奠定了一個技術(shù)上的基礎(chǔ)，那么該協(xié)議被更名為Bluetooth Low Energy并納入Bluetooth 4.0之后，便拓展成為一種全新的應用模式。因為低功耗藍牙提供了持久的無線連接且有效擴大相關(guān)應用產(chǎn)品的射程，在各種傳感器和終端設備上采集到 的信息被通過低功耗藍牙采集到電腦、手表、移動電話等具備計算和處理能力的主機設備中，再通過GPRS、3G、經(jīng)典/高速模式藍牙或WLAN等傳統(tǒng)無線網(wǎng) 絡應用與相應的Web服務關(guān)聯(lián)，從而從根本上解決當前傳統(tǒng)網(wǎng)絡應用在模式上的局限性和交互手段匱乏、數(shù)據(jù)來源少、實時性差等問題，真正讓網(wǎng)絡步入生活。
圖1： 低耗電藍牙帶來的應用模式的改變
必須指出，因為低功耗藍牙在應用模式上的革命性提升，將催生的應用模式完全無法進行預估，因此它將拓展出的應用市場絕不會是一個成熟的利基市場，而將是一片真正意義上的新領(lǐng)域，只要有對應用的準確把握和合理的理念，誰都可能在這個領(lǐng)域里掘得第一桶金。
Bluetooth 4.0 雙模式組合應用
根據(jù)Bluetooth SIG發(fā)布的Bluetooth 4.0核心規(guī)范白皮書，Bluetooth 4.0低耗電模式有雙模式和單模式兩種應用。低功耗藍牙的單模式藍牙的技術(shù)特點技術(shù)綜述藍牙（Bluetooth）通過低功率無線電波傳輸數(shù)據(jù)，其本質(zhì)是一種支持設備短距離通信（一般是10m之內(nèi)）的無線電技術(shù)。其標準是IEEE 802.15，工作在2.402～2.480GHz頻率帶之間，基礎(chǔ)帶寬為1Mb/s。和Wi-Fi、WiMAX等用于局域、城域的無線網(wǎng)絡規(guī)范不同的是，Bluetooth所定義的應用范圍更小一些，它將應用鎖定在一個以個人為單位的人域網(wǎng)（PAN）領(lǐng)域，也就是個人起居活動范圍的方圓10米之內(nèi)，卻容納了包括音頻、互聯(lián)網(wǎng)、移動通信、文件傳輸?shù)仍趦?nèi)的非常多樣化的應用取向，加上強調(diào)自動化和易操作性，因此在這一領(lǐng)域里很快就得到了普及，雖然在藍牙的發(fā)展過程中一度曾偏離了這一主旨，但Bluetooth 4.0的出現(xiàn)無疑揭示了Bluetooth對自身核心價值的反思和回歸。
調(diào)節(jié)性跳頻與微微網(wǎng)（Piconet）的原理
因為藍牙所用的頻帶仍處于應用繁多的2.4G無線電頻率范圍附近，為達到最大限度地避免設備間的相互干擾的目的，藍牙從實際的應用出發(fā)，將信號功率設計 得非常微弱，僅為手機信號的數(shù)千分之一，這樣設備間的距離就只能保持在約10米范圍內(nèi)，從而避免了和移動電話、電視機等設備間的相互干擾。
藍牙協(xié)議被設計為同時允許最多八個藍牙設備互連，因此協(xié)議需要解決的另一個問題就是如何處理同在有效傳輸范圍內(nèi)的這些藍牙設備之間的相互干擾，這一問題的解決催生了藍牙協(xié)議最具獨創(chuàng)性的通信方式—調(diào)節(jié)性跳頻技術(shù)。它定義了79個獨立且可隨機選擇的有效通信頻率，每個藍牙設備都能使用其中任何一個頻率，且能有規(guī)律地隨時跳往另一個頻率，按協(xié)議規(guī)范，這樣的頻率跳轉(zhuǎn)每秒鐘會發(fā)生1600次，因此不太可能出現(xiàn)兩個發(fā)射器使用相同頻率的情況，即使在特定頻率下有任何干擾，其持續(xù)時間也僅不到千分之一秒，因此該技術(shù)同時還將外界干擾對藍牙設備間通訊的影響降低到最小。
讓我們設想一下兩個藍牙設備間通訊的過程，當兩個藍牙設備互相靠近時，它們之間會發(fā)生電子會話以交流需求，這一會話過程無需用戶參與，而一旦需求確認，設備間便會自動確認地址并組成一個被稱為微微網(wǎng)（Piconet）的微型網(wǎng)絡，此網(wǎng)絡一旦形成，組成網(wǎng)絡的設備便可協(xié)商好和諧地隨機跳頻，以確保彼此間的聯(lián)系，但又不會對其它信號構(gòu)成干擾，于是藍牙—雜技演員手里的一個鋼球就這樣形成了。
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藍牙的協(xié)議組成 藍牙標準從制定之初便定義成為個人區(qū)域內(nèi)的無線通信制定的協(xié)議，它包括兩部分：第一部分為協(xié)議核心（Core）部分，用來規(guī)定諸如射頻、基帶、鏈路管理、 服務發(fā)現(xiàn)、傳輸層以及與其他通信協(xié)議間的互用、互操作性等基本組件及方法；第二部分為協(xié)議子集（Profile）部分，用來以規(guī)定不同藍牙應用（也稱使用 模式）所需的協(xié)議和過程。
圖2： 共享射頻層和獨立射頻層的雙模式低耗電藍牙設計
藍牙標準的設計仍采用從下至上的分層式結(jié)構(gòu)，以人機接口（Host Controller Interface，HCI）為界分為低層和高層協(xié)議，其中底層的基帶（Baseband）、射頻（BluetoothRadio）和鏈路管理層（LMP）協(xié)議定義了完成數(shù)據(jù)流的過濾和功能組件是一個高度集成的裝置，具備輕量的鏈路層（Link Layer），能在最低成本的前提下，支持低功耗的待機模式、簡易的設備發(fā)現(xiàn)、可靠的點對多點的數(shù)據(jù)傳輸、安全的加密鏈接等；位于上述控制器中的鏈路層，適用于網(wǎng)絡連接傳感器，并確保在無線傳輸中，都能通過低功耗藍牙傳輸。在雙模式應用中，藍牙低功耗的功能會整合至現(xiàn)有的傳統(tǒng)藍牙控制器中，共享傳統(tǒng)藍牙技 術(shù)已有的射頻和功能，相較于傳統(tǒng)的藍牙技術(shù)，增加的成本更小；除此之外，制造商可利用升級版藍牙低功耗技術(shù)的功能模塊，集成目前的藍牙3.0高速版本、或2.1+EDR等傳統(tǒng)藍牙功能組件，從而改善傳統(tǒng)藍牙設備的數(shù)據(jù)傳輸效能。圖2即為藍牙低功耗技術(shù)的雙模式應用功能邏輯拓撲圖，圖2右邊所示即為通過整合原有藍牙技術(shù)的射頻降低了升級成本。
圖3： 藍牙標準模塊構(gòu)成
低功耗藍牙為何如此省電？根據(jù)SIG官方發(fā)布會的資料，它和經(jīng)典藍牙技術(shù)相比，主要的改變集中體現(xiàn)在待機功耗的減少、高速連接的實現(xiàn) 和峰值功率的降低三個方面。待機功耗的下降 傳統(tǒng)藍牙設備的待機耗電量大一直是為人所詬病的缺陷之一，這與傳統(tǒng)藍牙技術(shù)動輒采用16～32個頻道進行廣播不無關(guān)系，而低功耗藍牙僅使用了3個廣播通道，且每次廣播時射頻的開啟時間也由傳統(tǒng)的22.5ms減少到0.6～1.2ms，這兩個協(xié)議規(guī)范上的改變顯然大大降低了因為廣播數(shù)據(jù)導致的待機功耗；此 外低功耗藍牙設計了用深度睡眠狀態(tài)來替換傳統(tǒng)藍牙的空閑狀態(tài)，在深度睡眠狀態(tài)下，主機長時間處于超低的負載循環(huán)（DutyCycle）狀態(tài)，只在需要運作 時由控制器來啟動，因主機較控制器消耗更多的能源，因此這樣的設計也節(jié)省了最多的能源；在深度睡眠狀態(tài)下，協(xié)議也針對此通訊模式進行了優(yōu)化，數(shù)據(jù)發(fā)送間隔 時間也增加到0.5～4s，傳感器類應用程序發(fā)送的數(shù)據(jù)量較平常要少很多，而且所有連接均采用先進的嗅探性次額定（Sniff-Subrating）功能模式，因此此時的射頻能耗幾乎可以忽略不計，綜合以上因素，低功耗藍牙的待機功耗較傳統(tǒng)藍牙大大減少。
高速連接的實現(xiàn)要明白這一過程，我們必須先介紹一下藍牙設備和主機設備的連接步驟：
第一步：通過掃描，試圖發(fā)現(xiàn)新設備
第二步：確認發(fā)現(xiàn)的設備沒有而已軟件，也沒有處于鎖定狀況
第三步：發(fā)送IP地址
第四步：收到并解讀待配對設備發(fā)送過來的數(shù)據(jù)
第五步：建立并保存連接
按照傳統(tǒng)的藍牙協(xié)議的規(guī)范，若某一藍牙設備正在進行廣播，則它不會響應當前正在進行的設備掃描，而低功耗藍牙協(xié)議規(guī)范允許正在進行廣播的設備連接到正在 掃描的設備上，這就有效避免了重復掃描，而通過對連接機制的改善，低功耗藍牙下的設備連接建立過程已可控制在3ms內(nèi)完成，同時能以應用程序迅速啟動鏈接 器，并以數(shù)毫秒的傳輸速度完成經(jīng)認可的數(shù)據(jù)傳遞后并立即關(guān)閉連結(jié)，而傳統(tǒng)藍牙協(xié)議下即使只是建立鏈路層連接都需要花費100ms，建立L2CAP（邏輯鏈 路控制與適應協(xié)議）層的連接建立時間則更長。
藍牙低功耗協(xié)議還對拓撲結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化，通過在每個從設備及每個數(shù)據(jù)包上使用32位的存取 地址，能夠讓數(shù)十億個設備能被同時連接。此技術(shù)不但將傳統(tǒng)藍牙一對一的連結(jié)優(yōu)化，同時也利用星狀拓撲來完成一對多點的連結(jié)。在連接和斷線切換迅速的應用場 景下，數(shù)據(jù)能夠在網(wǎng)狀拓撲之間移動，但不至于為了維持此網(wǎng)絡而顯得過于復雜，這也有效減輕了連接復雜性，減少了連接建立時間。降低峰值功率 低功耗藍牙對數(shù)據(jù)包長度進行了更加嚴格的定義，支持超短（8～27Byte）數(shù)據(jù)封包，并使用了隨機射頻參數(shù)和增加了GSFK調(diào)制索引，這些措施最大限度 地減少了數(shù)據(jù)收發(fā)的復雜性；此外低功耗藍牙還通過增加調(diào)變指數(shù)，并采用24位的CRC（循環(huán)冗余檢查）確保封包在受干擾時具有更大的穩(wěn)定度，低功耗藍牙的 射程增加至100m以上，以上措施結(jié)合藍牙傳統(tǒng)的跳頻原理，有效降低了峰值功率。
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