什么是低功耗蓝牙技术

什么是低功耗蓝牙技术

低功耗蓝牙是一种全新的技术，是当前可以用来设计和使用的功耗最低的无线技术。

经典蓝牙的设计目的在于统一全球各地的计算和通信设备，让手机与笔记本电脑相互连接。不过事实证明，蓝牙最为广泛的应用还是音频传输，比如将音频从手机传到蓝牙耳机。

低功耗蓝牙选择了完全不同的方向：并非只是增加可达的数据传输速率，而是从尽可能降低功耗方面进行优化。这意味着，也许你无法获得很高的传输速率，但是可以将连接保持数小时或数天的时间。

低成本设计的三个要素

从低成本的需求方面审视低功耗蓝牙的系统设计尤为重要。实现低成本的设计有三个关键因素：

1. ISM 频段。2.4GHz ISM频段无线端传播特性差，能量极容易被各类物体吸收，尤其是水，而人体主要是由水构成的。但是该无线电频谱的优势是在全世界可以免许可、自由地使用。选择使用 ISM 频段能够降低成本。
2. IP 许可。当 Wibree（超低功耗蓝牙）技术发展成熟，考虑将其并入已有的无线标准工作组时，诺基亚原本有多种选择方案。比如加入 Wi-Fi 联盟，该联盟也在 2.4GHz ISM 频段制定了标准化技术。然而，鉴于蓝牙组值拥有较高的声誉和优厚的专利许可政策，他们最终选择了蓝牙技术联盟（Bluetooth Special Interest Group, BT SIG）。与其他采取 FRAND 政策的兴趣小组或者联盟相比，蓝牙技术联盟的政策使得蓝牙设备的专利许可成本大为降低。而许可成本的降低使得每件设备的成本也显著降低。
3. 低功耗。设计一款低成本设备的最好方法就是建设制作这个设备所需的原料，比如电池。低功耗的基础设计就是以纽扣电池——这种最小、最便宜并且最容易购买的电池类型作为能量来源。这意味着我们无法令低功耗蓝牙实现很高的数据传送速率，或者将其用于大量数据的传输或者数据流传输。这一点或许是经典蓝牙与低功耗蓝牙的最大区别。

设备类型

低功耗蓝牙技术可以构建两种类型的设备：双模设备和单模设备。双模设备既支持经典蓝牙又支持低功耗蓝牙。单模设备只支持低功耗蓝牙。当然，还有第三种仅支持经典蓝牙的设备。

仅支持低功耗蓝牙的单模设备不支持经典蓝牙，无法与现有的蓝牙设备通信，但是可以与其他单模设备或者双模设备通信。由于单模设备不支持头戴式耳机、立体声音乐或较高的文件传输速率，无法将其用于当今经典蓝牙使用的大部分领域。

下面展示了彼此间能相互通信的蓝牙设备类型以及蓝牙设备连接之后使用的无线电技术。

单模设备能够与其他的低功耗单模设备通信，也能与支持低功耗的双模设备通信。

双模设备能够与其他双模设备或者使用 BR/EDR 的经典蓝牙设备通信。

单模设备无法与经典蓝牙设备通信。

	单模	双模	经典
单模	LE	LE	无
双模	LE	经典	经典
经典	无	经典	经典

设计目标

蓝牙技术最初的设计目标主要包括以下几个方面：

• 全球操作。全球操作需要一个在世界范围内都能使用的无线频段。2.45GHz频段是目前唯一一个可实现低成本、大批量制造的频段。
• 低成本。低成本的设计目标意味着系统应该尽可能做到简洁、高效。举个例子，尽管可以在低功耗蓝牙加入分散王（scatter net）或完整的网状网（mesh）支持，但这要求有更多的内存和处理能量来维护网络，从而增加了成本。所以低功耗蓝牙系统在进行低成本优化时，没有涉及在学术界广泛研究的网络拓扑学。
• 鲁棒性。鲁棒性还包括检测和纠正比特误码的能力，这类错误通常由背景噪声而引起。少数短距离无线标准使用长循环冗余校验（CRC），但大部分标准做了折中，使用较短的 CRC 校验码。优良的设计应在校验能力和发送校验信息所需的时间之间取得平衡。
• 短距离。短距离实际上存在一些问题。比如，如果想得到一个低功耗的系统，就必须尽可能降低传输功率以减少信号传输的能量。
• 低功耗。蓝牙的最初设计目标在设计低功耗时并没有太多改变，只是后者将能量的消耗目标降低了一到两个数量级。

术语

自适应跳频（Adaptive Frequency Hopping, AFH）一种使用某个频率子集的技术，使设备可以避免其他非自适应技术使用该频率（比如 Wi-Fi 接入点）。

体系结构（architecture） 低功耗蓝牙的设计方案。

频段（band） 参看无线频段（radio band）

跳频（frequency hopping）两个设备之间使用多个频率通信。某个时刻只用一个频率，各个频率按照确定的顺序依次使用。

层 （layer）系统中实现一个具体功能的部分，例如物理层负责无线电操作。系统中每一层都是根据上层或下层抽象而来的。

主设备（master）微微网中协调与其他设备的操作的一台复杂设备。

微微网（piconet）piconet 是一个非常微小的网络。一个微微网包括唯一的一个主设备以及一个或多个从设备，主设备负责协调与本微微网中的所有其他从设备的操作。

无线频段（radio band）无线电波通过频率或波长进行划分。不同的无线电波具有不同的规则和使用方法。当某一范围内的无线电频率以同一规则组合起来时，该频率的集合就被称为一个无线频段。

从设备（slave）与主设备一起工作的简单设备。这些设备通常是用途单一的设备。

Wi-Fi 一种为高传输率而设计的补充无线技术，用于计算即等复杂设备的互联网接入。

参考资料

《低功耗蓝牙开发权威指南》第1章 什么是低功耗蓝牙技术