《電子技術(shù)應(yīng)用》
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藍(lán)牙低能耗無線技術(shù)技術(shù)原理詳解
摘要: 具有固定的連接時(shí)間間隔的標(biāo)準(zhǔn)藍(lán)牙技術(shù)是一種“面向連接”的無線技術(shù),,是移動(dòng)電話連接無線耳機(jī)等高活動(dòng)連接的理想之選,。相反,,藍(lán)牙低能耗技術(shù)采用可變連接時(shí)間間隔,,這個(gè)間隔根據(jù)具體應(yīng)用可以設(shè)置為幾毫秒到幾秒不等,。另外,,因?yàn)锽LE技術(shù)采用非??焖俚倪B接方式,,因此平時(shí)可以處于“非連接”狀態(tài)(節(jié)省能源),,此時(shí)鏈路兩端相互間只是知曉對(duì)方,,只有在必要時(shí)才開啟鏈路,,然后在盡可能短的時(shí)間內(nèi)關(guān)閉鏈路。BLE的兩種芯片架構(gòu)藍(lán)牙低能耗架構(gòu)共有兩種芯片構(gòu)成:單模芯片和雙模芯片,。
Abstract:
Key words :

  具有固定的連接時(shí)間間隔的標(biāo)準(zhǔn)藍(lán)牙技術(shù)是一種“面向連接”的無線技術(shù),,是移動(dòng)電話連接無線耳機(jī)等高活動(dòng)連接的理想之選。相反,,藍(lán)牙低能耗" title="低能耗">低能耗技術(shù)采用可變連接時(shí)間間隔,,這個(gè)間隔根據(jù)具體應(yīng)用可以設(shè)置為幾毫秒到幾秒不等。

  另外,,因?yàn)锽LE技術(shù)采用非??焖俚倪B接方式,因此平時(shí)可以處于“非連接”狀態(tài)(節(jié)省能源),,此時(shí)鏈路" title="鏈路">鏈路兩端相互間只是知曉對(duì)方,,只有在必要時(shí)才開啟鏈路,然后在盡可能短的時(shí)間內(nèi)關(guān)閉鏈路,。

  BLE的兩種芯片架構(gòu)

  藍(lán)牙低能耗架構(gòu)共有兩種芯片構(gòu)成:單模芯片和雙模芯片" title="雙模芯片">雙模芯片,。藍(lán)牙單模器件是藍(lán)牙規(guī)范中新出現(xiàn)的一種只支持藍(lán)牙低能耗技術(shù)的芯片——是專門針對(duì)ULP操作優(yōu)化的技術(shù)的一部分。

  藍(lán)牙單模芯片可以和其它單模芯片及雙模芯片通信,,此時(shí)后者需要使用自身架構(gòu)中的藍(lán)牙低能耗技術(shù)部分進(jìn)行收發(fā)數(shù)據(jù)(參考圖1),。雙模芯片也能與標(biāo)準(zhǔn)藍(lán)牙技術(shù)及使用傳統(tǒng)藍(lán)牙架構(gòu)的其它雙模芯片通信。

  

  圖1:雙模芯片將使用其架構(gòu)中的藍(lán)牙低能耗部分與單模器件通信,。

  BLE技術(shù)的工作模式非常適合用于從微型無線傳感器(每半秒交換一次數(shù)據(jù))或使用完全異步通信的遙控器等其它外設(shè)傳送數(shù)據(jù),。這些設(shè)備發(fā)送的數(shù)據(jù)量非常少(通常幾個(gè)字節(jié)),而且發(fā)送次數(shù)也很少(例如每秒幾次到每分鐘一次,,甚至更少),。

  利用智能手段最大限度地降低功耗,藍(lán)牙低能耗無線技術(shù)" title="無線技術(shù)">無線技術(shù)的藍(lán)牙版本為:2.1+EDR/3.0+HS版本(通常指“標(biāo)準(zhǔn)藍(lán)牙技術(shù)”),,其中浙與藍(lán)牙低能耗(BLE)技術(shù)有許多共同點(diǎn):低成本,、短距離、可互操作的魯棒性無線技術(shù),,工作在免許可的2.4GHz ISM射頻頻段,。但是最重要區(qū)別就是:藍(lán)牙低能耗技術(shù)被設(shè)計(jì)為超低功耗" title="超低功耗">超低功耗(ULP)無線技術(shù),而標(biāo)準(zhǔn)藍(lán)牙技術(shù)主要是能夠構(gòu)成“低功耗的”無線連接,。

  單模芯片可以用單節(jié)鈕扣電池(如3V,、220mAh的CR2032)工作很長時(shí)間(幾個(gè)月甚至幾年)。相反,,標(biāo)準(zhǔn)藍(lán)牙技術(shù)(和藍(lán)牙低能耗雙模器件)通常要求使用至少兩節(jié)AAA電池(電量是鈕扣電池的10至12倍,,可以容忍高得多的峰值電流),并且更多情況下最多只能工作幾天或幾周的時(shí)間(取決于具體應(yīng)用),。雙模芯片可以在目前使用標(biāo)準(zhǔn)藍(lán)牙芯片的任何場合使用,。這樣安裝有雙模芯片的手機(jī)、PC,、個(gè)人導(dǎo)航設(shè)備(PND)或其它應(yīng)用就可以和市場上已經(jīng)在用的所有傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)藍(lán)牙設(shè)備以及所有未來的藍(lán)牙低能耗設(shè)備通信,。然而,由于這些設(shè)備要求執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)藍(lán)牙和藍(lán)牙低能耗任務(wù),,因此雙模芯片針對(duì)ULP操作的優(yōu)化程度沒有像單模芯片那么高,。

 

  超低功耗無線技術(shù)

  無線“開啟”的時(shí)間只要不是很短就會(huì)令電池壽命急劇降低,因此任何必需的發(fā)送或接收任務(wù)需要很快完成,。被藍(lán)牙低能耗技術(shù)用來最小化無線開啟時(shí)間的第一個(gè)技巧是僅用3個(gè)“廣告”信道搜索其它設(shè)備,,或向?qū)で蠼⑦B接的設(shè)備宣告自身存在。相比之下,,標(biāo)準(zhǔn)藍(lán)牙技術(shù)使用了32個(gè)信道,。藍(lán)牙低能耗技術(shù)的三大特性成就了ULP性能,這三大特性分別是最大化的待機(jī)時(shí)間,、快速連接和低峰值的發(fā)送/接收功耗,。

  值得注意的是,使用3個(gè)廣告信道是某種程度上的妥協(xié):這是在頻譜非常擁擠的部分對(duì)“開啟”時(shí)間(對(duì)應(yīng)于功耗)和魯棒性的一種折衷(廣告信道越少,,另外一個(gè)無線設(shè)備在選用頻率上廣播的機(jī)會(huì)就越多,,就越容易造成信號(hào)沖突)。這意味著藍(lán)牙低能耗技術(shù)掃描其它設(shè)備只需“開啟”0.6至1.2ms時(shí)間,,而標(biāo)準(zhǔn)藍(lán)牙技術(shù)需要22.5ms時(shí)間來掃描它的32個(gè)信道,。結(jié)果藍(lán)牙低能耗技術(shù)定位其它無線設(shè)備所需的功耗要比標(biāo)準(zhǔn)藍(lán)牙技術(shù)低10至20倍。

  藍(lán)牙低能耗技術(shù)“完成”一次連接(即掃描其它設(shè)備,、建立鏈路,、發(fā)送數(shù)據(jù)、認(rèn)證和適當(dāng)?shù)亟Y(jié)束)只需3ms,。在短暫的數(shù)據(jù)傳送期間,,無線信號(hào)將使用標(biāo)準(zhǔn)藍(lán)牙技術(shù)倡導(dǎo)的自適應(yīng)跳頻(AFH)技術(shù)以偽隨機(jī)的方式在信道間切換(雖然標(biāo)準(zhǔn)藍(lán)牙技術(shù)使用79個(gè)數(shù)據(jù)信道)。一旦連接成功后,,藍(lán)牙低能耗技術(shù)就會(huì)切換到37個(gè)數(shù)據(jù)信道之一,。

  不過該規(guī)范的設(shè)計(jì)師對(duì)于平衡這種妥協(xié)相當(dāng)有信心——比如,他們選擇的廣告信道不會(huì)與Wi-Fi" title="Wi-Fi">Wi-Fi默認(rèn)信道發(fā)生沖突(見圖2),。

  

  圖2:藍(lán)牙低能耗技術(shù)的廣告信道是經(jīng)過慎重選擇的,,可以避免與Wi-Fi發(fā)生沖突。

  要求藍(lán)牙低能耗技術(shù)無線開啟時(shí)間最短的另一個(gè)原因是它具有1Mbps的原始數(shù)據(jù)帶寬——更大的帶寬允許在更短的時(shí)間內(nèi)發(fā)送更多的信息,。而標(biāo)準(zhǔn)藍(lán)牙技術(shù)完成相同的連接周期需要數(shù)百毫秒,。再次提醒,無線開啟時(shí)間越長,,消耗的電池能量就越多,。舉例來說,,具有250kbps帶寬的另一種無線技術(shù)發(fā)送相同信息需要開啟的時(shí)間要長8倍(消耗更多電池能量)。

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