低功耗蓝牙技术在消费类电子产品和物联网中推进发展.doc
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1、低功耗蓝牙技术在消费类电子产品和物联网中推进发展低功耗蓝牙 (BLE) 可能还不在您的电子设计范围内,但很快就会的。 这种无线连接技术在过去三年里呈现出爆炸式增长。 如今,这种技术已在数百万电子设备中实现了低功耗连接,如智能手表、健身跟踪器、智能手机配件和医疗监护仪。 借助即将实现的技术提升,BLE 已经为在下一代消费类电子产品和新兴的物联网中变得更普及做好了准备。许多技术提升已经运用到了蓝牙 4.1 中,这是最近针对内核规范的升级。 其中包括,支持更高效的大批量数据传输、设备间更高的通信灵活性、同步双模角色,以及向基于 IP 的通信迈出第一步。 综上所述,这些技术提升使得 BLE 在功耗、性
2、能和成本方面更加诱人。除了有关蓝牙 4.1 的技术提升外,BLE 芯片本身也在不断改进。 得益于能效的提升,第二代 BLE 的传输功耗将下降约 66%,但不会影响传输距离或性能。鉴于 BLE 最近的变化以及即将发生更多改变,现在是时候考虑这种技术的地位以及未来发展方向了。BLE 的基本原理对于已针对低功耗,而非最大数据传输速度经过优化的无线通信设备,BLE 是最为合适的技术。 该技术的功耗可低至传统蓝牙平均功耗的百分之一。 相比传统蓝牙 40 mA 或更高的峰值电流,BLE 的峰值电流将低至 15 mA。 凭借如此节能的电流消耗,BLE 可在一枚纽扣电池供电的情况下工作数月或数年(视具体应用而
3、定)。BLE 在大多数时间内关闭无线功能,因此主要实现了低功耗。 BLE 仅扫描三个广播通道,其无线唤醒信号仅发送或接受数据短脉冲,采用 8 到 27 个八位字节的小数据包。 BLE 还能很快地设置连接,进一步减少无线启用时间。 BLE 能在 3 ms 的短时间内传输经过验证的数据,而传统蓝牙完成相同任务则需要 1000 ms。在数据速率方面,BLE 的最大实际数据速率通常远低于 100 kbs。 因此,这种蓝牙技术不是针对采用传统蓝牙的连续数据流应用,后者的数据速率可达 3 Mbps。BLE 与传统蓝牙还存在其他技术差异。 主要表现在,BLE 采用星状网络拓扑结构、在每个从属节点的每个数据包
4、上采用 32 位存取地址。从理论上将,这将允许在规定时间内连接数十亿个设备。 相比之下,传统蓝牙的微微网拓扑结构每次仅允许连接最多八个设备。图 1:低功耗蓝牙设备采用纽扣电池供电时可工作数年。BLE 技术的其他特性:经过优化的 GSFK 调制功能。 BLE 与传统蓝牙一样采用 GSFK 调制方法。 然而,BLE 采用更高调制指数和 2 MHz 信道,以实现更低的位误差率,即实现更大的传输范围。自适应跳频。 当设备连接后,BLE 技术采用与传统蓝牙相同的自适应调频方案。 自适应调频能将来自 2.4 GHz ISM 频段内的其他拓扑结构干扰降至最低,这一频段由许多工作在该频段内的无线设备共享。鲁棒
5、性。 BLE 针对每个数据包采用 24 位单循环冗余检查 (CRC),从而允许包头和数据字段检测奇数位误差以及 2 位和 4 位误差。 这种 24 位 CRC 相比 16 位或者 32 位 CRC 已针对 BLE 的数据有效负载进行了优化。严格的安全性。 BLE 利用由美国政府为保护数据而开发的 128 位高级加密系统 (AES-128) 进行加密和验证。蓝牙 4.1 的另一大亮点便是其双模能力。 尽管诸如传感器或电话配件等设备通常使用 BLE,但智能手机、平板电脑常作为无线集线器,并通过 BLE 和传统蓝牙进行通信。 蓝牙内核规范使这种双模成为可能。 从本质上讲,双模模块组合了传统蓝牙和 B
6、LE 的通信堆栈并允许共享天线。 单模和双模设备分别被命名为智能蓝牙 (Bluetooth Smart) 和智能蓝牙就绪 (Bluetooth Smart Ready)。BLE 将如何发展即使现在,BLE 技术也已能为要求低功耗无线连接的设备提供出色的解决方案。 不过,BLE 的能效将变得更高,蓝牙 4.1 中的技术改进将使设计人员更容易地设计下一代无线设备,设计将用于组成物联网的智能对象。蓝牙 4.1 的这些技术改进向后兼容传统设备,具体包括:多角色支持。 链路层和双模拓扑结构的变化将使双模设备同时作为智能蓝牙就绪集线器和智能蓝牙设备。数据交换效率。 在本地逻辑链路控制和适配协议 (L2CA
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