关于蓝牙v4.0技术知识的阐释
发布时间：2013-1-31 11:13
发布者：李宽
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作者：Svein-Egil Nielsen 摘要： “蓝牙v4.0与以前的版本有根本区别，因为它以两个协议为基础，而非一个协议。 这带来了一些需要蓝牙Smart品牌解决的问题”Svein-Egil Nielsen解释说。 虽然蓝牙技术联盟(SIG)在很多事情上都备受指责，但是在消费者中成功树立蓝牙品牌却无可非议。早在2008年进行的一项独立调查发现，85%的消费者“认识了无线技术”， 今天这个数字很可能会更高。 随着蓝牙v4.0的推出，技术联盟面临着一个新的挑战，就是准确解释这项技术是什么。 跟以往版本不一样，蓝牙v4.0架构采用了两类不同的无线电技术和协议。一种类型可以与以往版本通信，而另一种则不可以。 从用户所关注的互操性到工程人员所需，技术联盟的答案是，新品牌可帮助消费者在市场上找到所需产品。蓝牙Smart和蓝牙Smart Ready品牌背后所采用的蓝牙v4.0技术正在被广泛应用。例如，苹果的iPhone 4S和新的iPad（参见图1）就符合蓝牙Smart Ready的要求，微软已宣布Windows 8支持此项技术， 摩托罗拉也已宣布推出具有蓝牙Smart Ready功能的手机。 
图1：苹果最新的iPad符合蓝牙Smart Ready设备的要求 蓝牙Smart和蓝牙Smart Ready品牌真正的重要性是什么？蓝牙v4.0与以往版本的区别是什么？ 往下看你就会找到答案，但首先还是让我们从历史的角度稍作一些了解。 蓝牙与专属技术超低功耗对比 过去曾出现了两类“低功耗”无线技术。 蓝牙技术是爱立信贡献给世界的一项2.4GHz短距离通讯技术，采用大容量电池供电（例如，AA或更大容量），可提供约1 Mbps的带宽（随后有很大提高），可用于手机到无线耳机之间的流媒体通信等应用。 后来出现了一项功耗更低的无线技术，由Nordic Semiconductor等公司开发，并冠以“超低功耗” 一词来描述此项技术，此项技术也在2.4GHz频段下运行，提供1 Mbps的带宽。 后面这项技术的特点是非常低的负载循环运行（0.1或更低），平均电流在微安培范围内，一块纽扣电池可支持运行数月以至数年。其应用包括与运动手表进行通信的心率带、无线鼠标和键盘。 这两项技术有不同的市场定位，因使用不同协议而从未能相互通信。（蓝牙采用开放的标准协议以确保互操作性，而超低功耗无线技术采用高效的专属协议以保持低功耗。） 手机制造商诺基亚具有创新性的工程师团队认识到，如果他们实现与世界上百万的超低功耗无线电设备通信，将为公司产品开拓一个庞大的新市场。例如，慢跑爱好者无需购买一个昂贵的心率带及与其相匹配的运动手表来追踪他们的活动，他们将可以购买一个廉价的心率带并将其与他们已经拥有的手机链接。 基于这个来自于工程师的想法，诺基亚、超低功耗无线电专家Nordic Semiconductor和其他一些有共识的企业建立了联盟。但是诺基亚显然不希望在已经配有三个或四个RF设备的手机上再添加另一个无线电芯片，而选择采用已在其多数手机上装配的蓝牙芯片来完成这项工作。 经多年反复改良，该联盟与蓝牙技术联盟合并，该项技术演变成“超低功耗蓝牙”。 Nordic的工程师和技术联盟成员经过六年的不懈努力，最终迎来了蓝牙v4.0（其标志性特点是融合 “蓝牙低功耗”）。 关于两个芯片 蓝牙技术以往版本（例如v2.1和v3.0）与v4.0的根本区别在于最新版本使用两个协议。 蓝牙低功耗协议是蓝牙规范中的新内容，此项技术用于过去使用专属技术的超低功耗应用。（这并不表示专属技术即将消失；而因为它具较低成本和性能优化等原因被广泛使用于不需蓝牙互操性的产品上。） 该规范要求使用经专门设计只用于运行蓝牙低功耗协议的无线电设备， 此类设备因此被称为 “单模式”设备。 蓝牙v4.0的硅晶无线电既可支持“传统”蓝牙协议（例如BR/EDR），还增加了一些额外电路， 因而还支持与蓝牙低功耗（单模式）之间通信。由于这些芯片可处理两个协议，因此被称为“双模式”设备。 双模式芯片可用于以前使用传统蓝牙芯片的任何应用中。包括手机、平板电脑、个人电脑、个人导航设备(PND)、游戏机和智能电视以及其他众多应用。 蓝牙品牌 蓝牙Smart品牌的认证产品必须符合三项要求：采用GATT为基础架构的蓝牙4.0（或更高）核心规范；采用单模式无线电及使用以GATT为基础的架构以实现设备的特定功能。 蓝牙Smart Ready认证产品必须符合三项相似要求：采用GATT为基础架构的蓝牙4.0（或更高）核心规范；采用双模式无线电(BR/EDR+蓝牙低功耗），两种无线电模式可分别或同时启用， 提供在蓝牙Smart Ready设备上更新蓝牙Smart设备的方法供终端用户选择。 蓝牙Smart Ready制造商还应为第三方提供一种创建和分配应用，用于接收蓝牙Smart设备的数据。 对于消费者，蓝牙Smart Ready产品为终端用户提供了一种更新蓝牙Smart产品功能的方法。 用户可下载并安装新的配置文件（优化的特定应用软件）来支持购买的新设备，而无需借助带有预安装支持文件的集线器设备。 蓝牙技术联盟的新品牌旨在满足大众的期待。经过多年对蓝牙技术互操性和兼容性的宣传，情况已经发生变化。 新品牌对消费者很重要，因为它可帮助消费者为其活动选择正确的产品。例如，人们不可能购买一个蓝牙Smart心率带而指望其与任何的蓝牙芯片手机通信。还不如选择支持蓝牙 Smart Ready的手机， 因为这就意味着采用了蓝牙v4.0芯片和蓝牙Smart Ready所需的基础结构和支持技术。表1对互操作性进行了总结。 表1：蓝牙Smart和蓝牙Smart Ready兼容性 
v4.0有什么新特点？ 除非新版本可带来一些具有根本差别的新功能，蓝牙不会浪费时间开发新版本。但是设计工程师乃至最终的消费者究竟能从蓝牙v4.0中获得什么？ 要回答这一问题，我们需要更深入地了解此项技术。 传统蓝牙技术以“定向连接”无线电为特点，采用用于高频活动通信的固定连接间隔。双模式芯片将继续执行该项任务。 重要的是要知道在运行BR/EDR模式时，双模式芯片的功耗与该技术原来的版本并无差别。 设备在使用其低功耗功能时可节省一些功耗，但因为芯片并非超低功耗设备，芯片的功能、尺寸、成本和合规性都与原来的版本相似。 换言之，如果工程师正在设计一款要求高负载循环、短距离、融合2.4GHz无线电技术的产品， 他会像以前选择v2.1或v3.0芯片一样，从偏爱的供应商处选择蓝牙v4.0双模式芯片。 话虽如此，工程师确实会获得一个显著的优势，我们会在下文对其进行讨论。 蓝牙低功耗技术采用可变连接间隔，可根据应用从数毫秒设置到数秒。此外，由于非常快速的连接，蓝牙低功耗技术经常保持“未连接”状态（节约功耗）。在此状态中，链接的两端知道双方存在，但只会在绝对必要时进行尽可能短时间的链接。 蓝牙低功耗芯片可用3V、220mAh CR2032之类的纽扣电池运行数月乃至数年。 但是这些设备只可支持非常低的负载循环操作。 如果工程师要求一种具有互操作性的2.4GHz无线电技术，用于发送少量数据如几个字节的异步传输， 且数据发送次数并不频繁（例如，从每秒数次到每分钟一次，或更少），那么蓝牙低功耗是最佳选择。心率监视器、自行车速度和距离检测器或血糖检测器等紧凑型无线传感器都是此类装置。 蓝牙低功耗技术采用特别的技巧来降低功耗。此技术只采用三个“宣传”信道来搜索其他设备，或将其呈献给可能正在搜索连接的设备，以此减少连接时间。相反，传统蓝牙技术则采用32个信道。 这代表蓝牙低功耗技术只需“开启” 0.6至1.2ms来扫描其他设备，而传统蓝牙技术则需要22.5ms来扫描其32个信道。因此，蓝牙低功耗技术用于定位其他设备的功耗降低了10至 20倍。 一旦连接，蓝牙低功耗技术将切换至37个数据信道中的一个，然后通过使用伪随模式适配跳频(AFH)。 蓝牙低功耗技术采用1Mbps的总数据带宽来快速发送信息，并快速返回至超低功耗休眠状态。 连接（即扫描其他设备、链接、发送数据、验证和“自如地”中止）只需3毫秒。 对比传统蓝牙技术进行相似的连接循环则需要数百毫秒。要知道，连接时间越长，电池功耗越大。 蓝牙低功耗技术还通过两种其他方式来限制峰值功耗：即采用相对“宽松”的RF参数， 以及发送非常短的数据包。较短的数据包可进一步减少通信时间，并使硅晶保持较低的温度，以此避免对功耗重新校准和对闭环结构的需求。 扩大蓝牙生态系统 蓝牙低功耗技术适用于因传统蓝牙技术功耗限制而无法实现的各种应用。这是第一次提供给电子装置设计师的具有可靠互操作性的ULP无线技术，并承诺将推出数百项新应用。 但究竟是什么类型的应用呢？ 蓝牙技术联盟在未来数月即将发布的系列配置文件会带来一些提示： 这些配置文件可为个人用户界面设备(PUID)（例如，手表）、远程控制、感应警报、 电池状态和心率监控器等特定应用。随后还会推出用于血糖和血压、循环Cadence和循环曲柄功率等医疗保健监控的配置文件。 Nordic Semiconductor作为专业的超低功耗无线连接技术公司， 是众多推出蓝牙低功耗解决方案的供应商中的一个。了解一下他们的产品有助于了解一些早期应用，了解将蓝牙v4.0融合到其产品中的设计师们是如何将连接技术延伸到超乎他们想象的更多产品中的。 Nordic Semiconductor的μBlue蓝牙低功耗产品系列目前包含两款芯片，nRF8001和最新推出的nRF8002。这两款芯片都包含了完全符合蓝牙v4.0低功耗协议堆栈。 Nordic μBlue蓝牙低功耗芯片系列中的第一款设备nRF8001和软件开发组件于2011年1月推出。凭借实现sub 12.5mA的峰值电流和低至sub 12μA的连接模式平均电流（连接间隔为 1s），Nordic宣称nRF8001是行业内功耗最低的蓝牙低功耗解决方案。 该芯片将无线电、链接层和主机堆栈结合到了一个最终产品列表(EPL)中，使设计师们可以轻松开发新的蓝牙终端产品，而无需额外的列表费用。 对于希望快速开发蓝牙Smart产品而无需花费很长时间来学习如何使用该项技术的设计师们，nRF8002系统芯片(SoC)是很好的选择。该芯片是一个易于使用的SoC解决方案，可用于无线标签和手镯、 挂件、钥匙扣、小玩具和臂章等其他附件（参见图2）。 
图2：nRF8002是一款用于无线标签和其他附件的便于集成的独立解决方案 使用nRF8002不需了解蓝牙低功耗技术或其他嵌入式固件的开发。利用Nordic nRF8002开发组件，开发人员们可以使用具有简单图形用户界面的开发工具来设计简单的蓝牙 Smart 产品，因此他们只需配置内置式应用程并将输入和输出映射到按钮、LED和蜂鸣器等外部组件，而无需进行更深入的操作。nRF8002采用了内置支持技术，用于一系列蓝牙v4.0 配置文档，包括：Find Me、感应、警报通知和电池状态。 可靠的互操作性 数家主要公司已将nRF8001融入到其产品中。例如， 日本的消费电子产品公司卡西欧已经开发出可以与兼容手机通信的G-SHOCK蓝牙低功耗手表（参见图3）。 
图3：G-SHOCK蓝牙低功耗手表可以与任何蓝牙Smart Ready手机通信 该手表带有停止手机铃声等功能，还带有Finder功能， 支持用户通过启用手表的警报和振动功能 来定位找不到的手机。 Dayton Industrial在其称为世界第一个可生产的蓝牙低功耗心率带中采用了nRF8001， 已经准备进入批量生产。对于已经采用蓝牙v4.0芯片的手机， 其用户可以在数秒内设置并使用心率带和一系列医疗保健应用，这些应用可带来采集、解析和显示培训数据的新方式。 Nordic为工程师们提供了iOS演示应用程序来说明这是如何实现的，该程序可用于广泛的现行蓝牙Smart（和 ANT+）附件，例如无线心率带、足部周边检测装置、自行车速度航程、Cadence、 功率传感器、温度、感应标签、称量台和血压监控器（参见图4）。 
图4：Nordic的iOS演示程序可用于广泛的最受欢迎的蓝牙Smart（和ANT+）附件 最新开发的采用nRF8001的产品可能能够最好地说明蓝牙低功耗技术是如何显著扩大本已庞大的蓝牙生态系统的。 总部设在香港的IDT公司刚推出了家用蓝牙低功耗血压监控器（参见图5）。 该监控器是世界上此类设备中首款利用蓝牙低功耗的设备，并在最近采用了血压配置文件。监控器可与蓝牙Smart Ready手机通信，然后手机可将数据发送至医疗机构中的远程服务器。 采用此类超低功耗无线技术，病人可以待在自己舒适的家中，减少见医生的时间，医疗人员可以对开处方的时间做出明智的决定，这可为卫生当局节省一笔开支！ 
图5：IDT的血压监控器是世界上此类设备中首款利用蓝牙低功耗的设备， 并在最近采用了血压配置文件 许多应用非常要依赖可靠的互操作性。技术联盟会安排定期的“蓝牙测试活动”，以确保各制造商生产的设备能够正常通信。Nordic和蓝牙芯片领先制造商Broadcom通力合作，以确保在实际操作中实现蓝牙v4.0的互操作性。 去年八月，Nordic宣布蓝牙低功耗感应卡的原版设计和行业首款蓝牙v4.0标准认证整合芯片解决方案Broadcom的BCM4330之间的无线通信测试成功。 尽管Nordic从未怀疑过其芯片与其他制造商的芯片之间互操作性测试的结果， 但结果仍让人感到满意，同时还验证了蓝牙规范，证明建立无线链接毫无问题，可以流畅运行。 这用了很长时间，但是蓝牙v4.0和蓝牙低功耗芯片、协议、配置文件和支持技术现在都已推出， 这是六年不懈努力的最高峰。许多领军企业已经将芯片融入到其产品中，随后有望迎来蓝牙Smart和蓝牙Smart Ready认证产品的爆发时期。例如，IMS分析家预计从明年开始， 每年将有十亿台蓝牙低功耗设备售出。这是迄今采用无线技术最快的时期。 关于作者： Svein-Egil Nielsen，居住在纽约，是Nordic Semiconductor新兴技术与战略合作伙伴关系部门的董事和蓝牙技术联盟董事会成员。Nordic Semiconductor是2.4GHz超低功耗硅晶技术专属解决方案的领先制造商，是开发蓝牙低功耗无线规范工作组的成员。 |
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