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 kbps。 蓝牙 2.0 (2004) 增加了 3 Mbps 扩数据速率 (EDR)（实际大致为 2.1 Mbps）。 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。

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。

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 ms。 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 - 1/10。

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/s	1 Mb/s
应用吞吐量	0.7-2.1 Mb/s	0.26 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 ms	6 ms
发送数据的总时间（det.电池续航时间）	100 ms	6 ms
语音功能	是	无
网络拓扑	散射网	Star-bus
功耗	1（作为基准）	0.01 - 0.5（视使用情况而定）
峰值电流消耗	<30 mA	<20 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

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 Mbps。
• 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 (HCI) ：处理主机和控制器之间的所有通讯，通常是通过 SPI、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。 蓝牙设备之间的全部通讯均由 GATT 子程序处理。
• 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）。

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 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)。

TI 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。

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 ASCII 字符串通过 RF 链路，或者利用 UART、SPI 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。

CSR 现正大量生产低功耗蓝牙芯片，其中包括 CSR1000A04-IQQM-R。 CSR µEnergy™ 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 µEnergy 平台采用两种变体芯片。 CSR1001 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。 CSR1000 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 大概是应用最广的 802.15.4 协议变体，6LoWPAN 和 WirelessHART™ 也有其应用市场，还有获得专利的 ANT™、Z-Wave®、MiWi™、SimpliciTI™。 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 RF4CE™ 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。

参考文献：

1. 蓝牙技术网址
   http://www.bluetooth.com/Pages/Bluetooth-Home.aspx
2. 低功耗蓝牙 – Texas Instruments
   http://www.ti.com/ww/en/analog/bluetooth/index.htm?DCMP=BluetoothLowEnergy&HQS=NotApplicable+OT+bluetoothlowenergy
3. 低功耗蓝牙 – DigiKey