今天，地球上幾乎沒有一部手機不利用藍牙(Bluetooth®) 收發(fā)器就能連接無線耳機。 同樣，如今的大多數(shù)新PC 也集成了藍牙芯片，讓您在打字的時候也能自由聽說。 在汽車領(lǐng)域即便不是大多數(shù)，也有許多新車采用了藍牙技術(shù)，讓您駕駛時用免提方式接聽電話。 然而，雖有如此之便利，但藍牙技術(shù)仍不適合用在大量應(yīng)用中，或者至少現(xiàn)在還沒有。

藍牙是一種針對連接的協(xié)議，用于以相對較高的速度處理連續(xù)數(shù)據(jù)流，使其能很好地將無線耳機與手機連接。 雖然希望保持低功耗，但藍牙規(guī)范的大多數(shù)改變?nèi)灾赜谔嵘龜?shù)據(jù)傳輸速率。 能進行同步、異步連接的基本速率(BR) 可達到720 kbps。 藍牙2.0 (2004) 增加了3 Mbps 擴數(shù)據(jù)速率(EDR)（實際大致為2.1 Mbps）。 藍牙3.0 (2009) 通過采用可以在802.11 同地協(xié)作鏈路上進行通訊的交替式MAC/PHY (AMP) 技術(shù)，增加了高達24 Mbps 的高速(HS) 數(shù)據(jù)能力。 盡管有一些巧妙的設(shè)計，但追求更高的速度必然會導(dǎo)致更高的功耗。

與此相反，低功耗藍牙從一開始就被設(shè)計成一種超低功耗(ULP) 協(xié)議，以服務(wù)采用單個硬幣電池供電的短距離無線設(shè)備，讓這些設(shè)備工作數(shù)月，甚至數(shù)年。 藍牙4.0 (2010) 引入了低功耗藍牙，即采用一個簡單的堆棧實現(xiàn)與低功耗設(shè)備的同步通訊，如只是偶爾發(fā)送少量數(shù)據(jù)的無線傳感器。 在這種技術(shù)下，可以迅速建立連接并在數(shù)據(jù)交換結(jié)束時立即斷開，能及時將PA 降至最小，進而降低功耗。

藍牙核心規(guī)范4.0 包括了完整的“傳統(tǒng)藍牙”、“高速藍牙”和“低功耗藍牙”規(guī)范。 低功耗藍牙雖然是全新技術(shù)，但設(shè)計人員意識到了保持向后兼容已流通的二十多億個藍牙設(shè)備將是一大優(yōu)勢。 為了既能擁有兼容性，又不會影響低功耗藍牙設(shè)計，4.0 版推出了兩種器件：

• 雙模芯片 既能與傳統(tǒng)藍牙設(shè)備通訊，又能與超低功耗設(shè)備中的單模芯片通訊。

• 單模芯片 運行外形小巧的低功耗藍牙協(xié)議堆棧。 這些芯片能和其他采用其架構(gòu)中低功耗藍牙部分的單模芯片或雙模芯片通訊。

雙模芯片剛剛面市，將會在所有手機、個人電腦和汽車上實現(xiàn)藍牙功能。 這些芯片能與傳統(tǒng)藍牙設(shè)備通訊，也能與大量醫(yī)療、工業(yè)及消費類應(yīng)用中運行低功耗藍牙的芯片通訊。 這項新增功能僅需增加極少的硅晶成本。

廣播的優(yōu)勢

低功耗藍牙無線電在2.4 GHz ISM 頻段工作，采用GFSK 調(diào)制技術(shù)在40 多個信道內(nèi)進行跳頻，使數(shù)據(jù)速率達到1 Mbps。 低功耗藍牙采用兩種數(shù)據(jù)存取方案：頻分多路存取(FDMA) 和時分多路存取(TDMA)。

在FDMA 方案中，LE 無線電在間隔為2 MHz 的40 個物理信道內(nèi)跳頻，其中3 個用作廣播信道，剩余37 個用作數(shù)據(jù)信道。 在TDMA 方案中，一個設(shè)備可在預(yù)定時間傳輸一個數(shù)據(jù)包，經(jīng)過預(yù)定的時間間隔后掃描設(shè)備會對另一個數(shù)據(jù)包做出響應(yīng)。 數(shù)據(jù)在兩個時間單位期間，在低功耗藍牙設(shè)備之間傳輸。其中時間單位稱作事件，包括廣播事件（見圖1）和連接事件（見圖2）。

利用廣播信道可發(fā)現(xiàn)附近的可用設(shè)備。 藍牙廣播設(shè)備發(fā)出數(shù)據(jù)包，說明它有數(shù)據(jù)，需要進行數(shù)據(jù)通訊。 然后，掃描設(shè)備可能會請求該廣播設(shè)備發(fā)送另一個廣播數(shù)據(jù)包- 使廣播通訊就在同一廣播信道上完成 – 或者通常會請求建立一個雙向通訊鏈路。

圖1：廣播事件（承蒙Bluetooth SIG 提供數(shù)據(jù)）。

當請求連接時，這些相同的廣播信道用于連接設(shè)備，然后繼續(xù)使用數(shù)據(jù)信道進行通訊。 在建立連接的過程中，由初始化設(shè)備指定數(shù)據(jù)互換的信道和時間，并完成與廣播設(shè)備或者從設(shè)備的延遲通訊評估，然后請求更改這些參數(shù)，優(yōu)化功耗。

圖2：連接事件（承蒙Bluetooth SIG 提供數(shù)據(jù)）。

一旦建立連接，掃描設(shè)備便成為主機，廣播設(shè)備成為從機。 此時跳頻啟動，且在每個頻率下，在所謂的連接事件發(fā)生期間進行數(shù)據(jù)包交換。 主機啟動每個連接事件，但主機或者從機都能隨時結(jié)束通訊。

節(jié)能

僅在極短的時間內(nèi)開啟無線電，是低功耗藍牙設(shè)法最大限度地降低功耗的方法之一。 低功耗藍牙無線電僅需要掃描3 個廣播信道來搜索其它設(shè)備，所需時間為0.6 - 1.2 ms；而傳統(tǒng)藍牙無線搜索時必須連續(xù)掃描32 個信道，每次搜索所需時間為22.5 ms。 僅這項技術(shù)就使低功耗藍牙設(shè)備的功耗降低至傳統(tǒng)藍牙設(shè)備的1/20 - 1/10。

與傳統(tǒng)藍牙一樣，低功耗藍牙仍采用自適應(yīng)跳頻方式，以最大限度地減少同地協(xié)作無線電受到的干擾。 不過，低功耗藍牙采用了3 個沒有干擾保護的固定廣播信道。 之所以選擇這些信道，是因為只有在一種情況下（2402 GHz、信道37）才會與Wi-Fi（信道1）偶爾發(fā)生沖突，當然，經(jīng)過一定設(shè)計后是不會與低功耗藍牙數(shù)據(jù)發(fā)生沖突的。

低功耗藍牙收發(fā)器的數(shù)據(jù)帶寬為1 Mbps，相比同在2.4 GHz 頻帶下工作的ZigBee® 節(jié)點，傳輸相同數(shù)據(jù)所需的“開啟”時間僅為其1/8，因此只通過提升速度便能將電池續(xù)航時間延長至后者的8 倍。

低功耗藍牙設(shè)備能夠在3 ms 內(nèi)完成掃描其它設(shè)備、連接、發(fā)送數(shù)據(jù)、確認有效接收并終止該鏈路。 傳統(tǒng)藍牙設(shè)備通常需要幾百毫秒才能完成上述一系列任務(wù)，并在此過程中電力消耗超過低功耗藍牙數(shù)個數(shù)量級。

另外，低功耗藍牙的數(shù)據(jù)包也比傳統(tǒng)藍牙的短，因此PA 時間也斷，進而能延長電池續(xù)航時間。

最后，低功耗藍牙的調(diào)制方案也有助于實現(xiàn)低功耗特性以及更好的魯棒性。 傳統(tǒng)藍牙和低功耗藍牙均采用高斯頻移鍵控(GFSK) 技術(shù)。 不過，傳統(tǒng)藍牙的調(diào)制指數(shù)為0.35，低功耗藍牙則在0.45 與0.55 之間，這已接近了高斯最小頻移鍵控(GMSK) 水平。 這樣的結(jié)果便是更高的頻譜效率，進而獲得比傳統(tǒng)藍牙更高的魯棒性，但這樣會稍稍增大碼間干擾(ISI) 的風(fēng)險。 較高調(diào)制指數(shù)所需的電力會稍有增加，多于早先介紹的其它節(jié)能技術(shù)提供的補償值。 表1 總結(jié)了傳統(tǒng)藍牙和低功耗藍牙的差異。

技術(shù)規(guī)格	傳統(tǒng)藍牙	低功耗藍牙
距離/范圍	100 m (330 ft)	50 m (160 ft)
空氣中的數(shù)據(jù)速率	1-3 Mb/s	1 Mb/s
應(yīng)用吞吐量	0.7-2.1 Mb/s	0.26 Mb/s
活動的從設(shè)備	7	未定義，獨立實施
安全	64/128 位和用戶自定義應(yīng)用層	帶有計數(shù)器模式CBC-MAC 的128 位AES 和用戶自定義應(yīng)用層
魯棒性	自適應(yīng)快速跳頻、FEC、快速ACK	自適應(yīng)跳頻、遲緩確認、24 位CRC、32 位信息完整性檢驗
延遲（自未連接狀態(tài)起）	通常100 ms	6 ms
發(fā)送數(shù)據(jù)的總時間（det.電池續(xù)航時間）	100 ms	6 ms
語音功能	是	無
網(wǎng)絡(luò)拓撲	散射網(wǎng)	Star-bus
功耗	1（作為基準）	0.01 - 0.5（視使用情況而定）
峰值電流消耗	<30 mA	<20 mA（紐扣電池供電時最高15 mA）
服務(wù)發(fā)現(xiàn)	是	是
規(guī)范概念	是	是
主要應(yīng)用	手機、游戲機、耳機、立體聲音頻流、汽車、個人電腦、安防、接近、醫(yī)療保健、體育和健身等	手機、游戲機、個人電腦、手表、醫(yī)療保健、體育和健身、安防和接近、汽車、家用電子、自動化、工業(yè)等

表1：傳統(tǒng)藍牙和低功耗藍牙（摘自：維基百科）。

堆棧架構(gòu)

令人奇怪的是，單模低功耗藍牙收發(fā)器滿負荷工作時的功耗并不比傳統(tǒng)藍牙低多少（20 mA 比30 mA）。 節(jié)能主要是通過堆棧架構(gòu)完成的，在這一架構(gòu)下可以實現(xiàn)許多電池節(jié)能技術(shù)。

低功耗藍牙協(xié)議堆棧（見圖3）包括一個控制器和一個主機。 堆棧的具體構(gòu)成如下：

• 物理層(PHY) ：在物理信道上傳輸和接收數(shù)據(jù)包。這種情況下，2.4 GHz ISM 頻段內(nèi)GFSK 數(shù)據(jù)包的速率為1 Mbps。
• 鏈路層(LL) ：控制收發(fā)器的RF 狀態(tài)，確定其是在廣播、掃描、初始化、已連接還是待機。
• 主機控制器接口(HCI) ：處理主機和控制器之間的所有通訊，通常是通過SPI、USB 或者UART。
• 邏輯鏈路控制和自適應(yīng)協(xié)議(L2CAP) ：為上層提供數(shù)據(jù)封裝服務(wù)。 進行流量管理，控制向基帶提交協(xié)議數(shù)據(jù)單元的順序，確保QoS 能訪問物理信道。
• 屬性協(xié)議(ATT) ：使一個設(shè)備能向其他設(shè)備泄露其一定的屬性。ATT 塊在屬性服務(wù)器和客戶端之間建立點對點通訊，從而在專用的L2CAP 信道上交換這些信息。
• 安全管理器(SM) ：可以生成、管理、保存密碼和識別碼，使兩個設(shè)備在專用L2CAP 信道上安全通訊。 低功耗藍牙采用帶有計數(shù)器模式CBC-MAC 的128 位AES 加密技術(shù)和用戶自定義應(yīng)用層。
• 通用屬性規(guī)范(GATT) ：定義使用ATT 所需的子程序，規(guī)定藍牙規(guī)范的結(jié)構(gòu)。 藍牙設(shè)備之間的全部通訊均由GATT 子程序處理。
• 通用訪問規(guī)范(GAP) ：這種模塊在應(yīng)用和藍牙規(guī)范之間提供接口，處理設(shè)備發(fā)現(xiàn)、連接和服務(wù)（含安全程序）。

圖3：BLE 協(xié)議堆棧（承蒙Texas Instruments 提供數(shù)據(jù))。

藍牙應(yīng)用和設(shè)備通過一組稱作規(guī)范的高度結(jié)構(gòu)化程序?qū)崿F(xiàn)相互通訊。 規(guī)范的級別可以很低- 例如用于連接IrDA 設(shè)備或者建立安全鏈路- 或者以成組方式服務(wù)高級別的應(yīng)用。 例如，現(xiàn)已有用于監(jiān)測病人血壓(BLS)、心率(HRS)、體溫(HTP) 的低功耗藍牙協(xié)議；將這些協(xié)議匯集在一起就可構(gòu)成一組醫(yī)療保健規(guī)范。 藍牙技術(shù)聯(lián)盟(Bluetooth SIG）正在為消費類、醫(yī)療保健、工業(yè)應(yīng)用定義規(guī)范，并預(yù)測這些應(yīng)用領(lǐng)域的低功耗藍牙設(shè)備將迅猛增加。

低功耗藍牙芯片

從2011 年下半年起，市場上才開始在出現(xiàn)低功耗藍牙芯片。Texas Instruments 向市場推出了CC2540 藍牙片上系統(tǒng)，成為首批提供此類芯片的制造商之一。CC2540 是一款單模芯片，集成了一個8051 MCU、8 KB RAM、128-256 KB 閃存、RF 收發(fā)器、一個單模協(xié)議堆棧、嵌入式規(guī)范軟件以及全套外設(shè)。 該器件可作為主機或者從機，3V 時的電流消耗在接收模式下僅15.8 mA，發(fā)送模式下18.6 mA (-6 dBm)。

TI 還向開發(fā)人員推出針對CC2540 的CC2540DK-MINI 開發(fā)套件。 該套件包括一個CC2540 USB 適配器、一個CC2540 秘鑰板和塑料外殼、一個帶電纜的CC 調(diào)試器、一根微型USB 電纜、一顆CR2032 電池和套件說明文檔。 利用附帶的BTool 應(yīng)用程序和Simple Keys GATT 規(guī)范，您可在適配器和秘鑰板之間建立連接，然后體驗各種不同的安全和低級別功能。TI 提供可以編輯的血壓傳感器、心率傳感器、體溫計示例源代碼。您可以使用SmartRF 閃存編程器和CC 調(diào)試器將這些代碼下載到CC2540，然后在適配器上運行。

圖4：CC2540DK-MINI 開發(fā)套件（承蒙Texas Instruments 提供數(shù)據(jù)）。

此外，BlueRadios, Inc. 也基于CC2540 推出BR-EVAL-LE4.0-S2A 評估套件。 該套件提供一個即用型BLE 設(shè)備，以及采用類似AT 調(diào)制解調(diào)器的簡單指令、嵌入式藍牙堆棧和規(guī)范（GAP、GATT、ATT、SMP、L2CAP 和BATT）。 可利用簡單的ASCII 字符串通過RF 鏈路，或者利用UART、SPI 或USB 通過硬件串行連接，對設(shè)備進行配置、控制，向其發(fā)指令。

Panasonic 的ENW-89820A1KF 是一款針對移動電話、PDA 和筆記本電腦的單模低功耗藍牙模塊。 該模塊包括一個8051 MCU、高達256 kb 的閃存、8 kb RAM、一個AES 安全協(xié)處理器、IR 發(fā)生電路、一個USB 2.0 接口以及全套低功耗藍牙軟件堆棧。PAN1720 模塊采用很小的15.6 mm x 8.7 mm x 1.9 mm SMD 封裝，配備屏蔽外殼。

圖5：Panasonic 的ENW-89820A1KF 單模低功耗藍牙模塊（承蒙Panasonic 提供數(shù)據(jù)）。

CSR 現(xiàn)正大量生產(chǎn)低功耗藍牙芯片，其中包括CSR1000A04-IQQM-R。CSR µEnergy™ 平臺在單芯片上集成了RF、基帶、微控制器、合格的藍牙4.0 堆棧，并能運行客戶應(yīng)用程序，能為您提供創(chuàng)建低功耗藍牙產(chǎn)品所需的一切。CSR µEnergy 平臺采用兩種變體芯片。 CSR1001 芯片針對鍵盤、遠程控制進行了優(yōu)化，具有專用的鍵盤掃描硬件。CSR1000 采用較小封裝，適用于健身產(chǎn)品、手表、鼠標和其他傳感器。

其他協(xié)議

短距離無線市場現(xiàn)在擁擠紛亂，并沒有一個通用解決方案來滿足各種各樣的要求。 大多數(shù)協(xié)議基于僅定義了PHY、MAC 層的IEEE 802.15.4 協(xié)議，然后每種協(xié)議再根據(jù)各自的需要定義不同的網(wǎng)絡(luò)層。ZigBee 大概是應(yīng)用最廣的802.15.4 協(xié)議變體，6LoWPAN 和WirelessHART™ 也有其應(yīng)用市場，還有獲得專利的ANT™、Z-Wave®、MiWi™、SimpliciTI™。

低功耗藍牙的適用領(lǐng)域及其適用性

上述每一種標準化協(xié)議都有各自最適合的領(lǐng)域：6LoWPAN 提供互聯(lián)網(wǎng)連接，WirelessHART 用于自愈網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，而這些并不是低功耗藍牙的目標市場。 另一方面，ZigBee 的RF4CE™ 協(xié)議針對許多與藍牙低功耗相同的應(yīng)用，但是，作為一個更復(fù)雜的協(xié)議，該協(xié)議一方面在組網(wǎng)時具有更好的表現(xiàn)- 低功耗藍牙只能在星形配置下工作- 然而其功耗頗高，遠不能很好地適應(yīng)超低功耗應(yīng)用，例如需要電池續(xù)航時間盡可能長的醫(yī)療傳感器、工業(yè)和軍事應(yīng)用。

在消費領(lǐng)域，ANT 已在慢跑心率監(jiān)視以及一些其他體域網(wǎng)(BAN) 應(yīng)用方面廣為使用。ANT 與低功耗藍牙類似，也是一種針對低數(shù)據(jù)速率的超低功耗協(xié)議。ANT 將是一個強有力的競爭對手，但低功耗藍牙擁有一個巨大優(yōu)勢- 兼容二十多億個已安裝的設(shè)備并得到了消費群體的廣泛認可。ANT 芯片主要供應(yīng)商Texas Instruments 和Nordic Semiconductor 也在大力支持低功耗藍牙，這一事實說明低功耗藍牙不久將取代ANT，成為超低功耗無線設(shè)備中的主導(dǎo)協(xié)議。

參考文獻：

1.藍牙技術(shù)網(wǎng)址
http://www.bluetooth.com/Pages/Bluetooth-Home.aspx
2.低功耗藍牙 – Texas Instruments
http://www.ti.com/ww/en/analog/bluetooth/index.htm?DCMP=BluetoothLowEnergy&HQS=NotApplicable+OT+bluetoothlowenergy
3.低功耗藍牙 –Digi-Key