无线技术也玩双模 蓝牙4.0技术细节揭秘

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资料来源: 
微型计算机

虽然蓝牙(Bluetooth) 3.0都还尚未完全普及,Bluetooth SIG(蓝牙技术联盟,Bluetooth Special Interest Group,后文简称Bluetooth SIG)却又再次推出了蓝牙4.0规范,并表示这又是蓝牙发展史上一次重大的革新。值蓝牙4.0推出之时,我们特地采访了Bluetooth SIG的相关技术工程师,并请他们就蓝牙4.0的技术特性做了较为详细的讲解。本文中,我们将一面体会低功耗蓝牙带来的全新应用模式,一面再次回顾 Bluetooth的发展历程,你会发现蓝牙技术在曾经的一度迷失之后,再次找回了自己的位置和尊严。 

蓝牙4.0技术介绍
 
当前的家庭客厅系统,点对点架构已经带来纠缠不清的线缆和混乱,如果我们还想把游戏机、数码相机、DV、耳机、麦克风还有移动电话都连接起来,可能还得考虑增加USB、1394、SPDIF以及各种充电器和电源插座线缆。
 
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点对点结构带来线缆连接问题
 
有没有一种通用的、不需要用户干预的简便方法把各种电子设备连接在一起,而又不至于被线缆淹没呢?在Wi-Fi之外,大家现在已经比较熟悉的“蓝牙”正是这样一种连接技术,它被设计为面向个人和家庭的无线式自动连接,其三大核心特点便是无线、低成本和自动化。
 
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蓝牙的无线连接模式
 
你是通过什么途径来了解并熟悉蓝牙技术的?我想对于绝大部分用户而言,无非是两个途径——蓝牙耳机或者手机的蓝牙功能。也许你知道如何用蓝牙功能,但是你了解蓝牙技术吗?未必!尤其是在洗尽浮华而转重视实用层面的蓝牙4.0技术发布之后,蓝牙的应用面又得到了极大的扩展。从1.0的失败到4.0的革新变迁,蓝牙技术经历了哪些改变和进化?蓝牙技术的基本原理是什么?当然还有大家最关心的蓝牙4.0到底能给我们带来什么?我们即将为您一一解答。 
 
 
Bluetooth 4.0,协议组成
 
和当前主流的Bluetooth 2.x+EDR、还未普及的Bluetooth 3.0+HS不同,Bluetooth 4.0是Bluetooth从诞生至今唯一的一个综合协议规范,还提出了低功耗蓝牙、经典蓝牙和高速蓝牙三种模式。其中高速蓝牙主攻数据交换与传输,经典蓝牙则以信息沟通、设备连接为重点,蓝牙低功耗顾名思义,以不需占用太多带宽的设备连接为主。这三种协议规范还能够互相组合搭配、从而实现更广泛的应用模式,此外,Bluetooth 4.0还把蓝牙的传输距离提升到100米以上(低功耗模式条件下)。
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Bluetooth SIG表示,正式推出Bluetooth 4.0的用意就是希望能够通过单一的接口,让应用系统自己挑选技术使用,而不是让消费者进行设备互连时,还要手动选择各项设备的连接模式,这一人性化的功能取向显然沿袭了蓝牙关注可用性和实际体验的设计思路,三种应用模式中,因为经典蓝牙和高速蓝牙都只是对旧有蓝牙版本的延续和强化,下面我们将重点阐述将全新的低功耗蓝牙技术。
 
Bluetooth 4.0,低耗电模式在应用模式上的改变和提升
 
低功耗蓝牙的前身其实是NOKIA开发的Wibree技术,本是作为一项专为移动设备开发的极低功耗的移动无线通信技术,在被SIG接纳并规范化之后重新命名为Bluetooth Low Energy(后简称低功耗蓝牙)。由于该技术专为极低电池量的装置而设计,仅通过普通纽扣电池供电便可确保长达一年的正常使用,因此在包括医疗、工业控制、无线键盘、鼠标、甚至单音耳机、无线遥控器等设备领域都可得到广泛应用。譬如装有记步器的运动鞋、装有脉搏量测的运动手环等,就可以通过低功耗蓝牙低功耗技术将监控信息传送到记录器(能是手表或是PDA)上,而不需像标准蓝牙设备一般需要常常充电。它易于与其它蓝牙技术整合,既可补足蓝牙技术在无线个人区域网络(PAN)的应用,也能加强该技术为小型设备提供无线连接的能力。
 
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如果说Wibree的超低功耗奠定了一个技术上的基础,那么该协议被更名为Bluetooth Low Energy并纳入Bluetooth 4.0之后,便拓展成为一种全新的应用模式,如图6。
 
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低功耗蓝牙在医疗运动体育等传统行业的应用前景展望
 
因为低功耗蓝牙提供了持久的无线连接且有效扩大相关应用产品的射程,在各种传感器和终端设备上采集到的信息被通过低功耗蓝牙采集到电脑、手表、移动电话等具备计算和处理能力的主机设备中,再通过GPRS、3G、经典/高速模式蓝牙或WLAN等传统无线网络应用与相应的Web服务关联,从而从根本上解决当前传统网络应用在模式上的局限性和交互手段匮乏、数据来源少、实时性差等问题,真正让网络步入生活。
 
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图6 低耗电蓝牙带来的应用模式的改变
 
必须指出,因为低功耗蓝牙在应用模式上的革命性提升,将催生的应用模式完全无法进行预估,因此它将拓展出的应用市场绝不会是一个成熟的利基市场,而将是一片真正意义上的新领域,只要有对应用的准确把握和合理的理念,谁都可能在这个领域里掘得第一桶金。 
 
 
蓝牙的版本变迁
 
1994年,爱立信成立了一个调研小组,对移动电话及其附件的低耗能、低费用无线连接的可能性进行研究,目的在于建立无线电话与PC卡、耳机及桌面设备等的连接;1998年5月,五家世界顶级通信运营集团与IT产业巨头:爱立信、诺基亚、东芝、IBM和英特尔联合成立了蓝牙技术联盟 (Bluetooth Special Interest Group,简称SIG),负责蓝牙技术标准的制定、产品测试,并协调各蓝牙规范的具体使用状况。3com、朗讯(Lucent)、微软和摩托罗拉很快也加盟SIG,因此Bluetooth标准还未诞生便几乎吸引了业界所有的注意力,但其成长之路却远非想象中那样一帆风顺。
 
1.0及以前的早期版本蓝牙
 
SIG成立之后的当年便推出Bluetooth V1.0及后续的V1.0B,但这两个早期版本均因为存在太多的问题,以至于几乎没有设备制造商依此规范开发出成功的蓝牙设备,而其中最致命的便是设备间的互操作性问题。
 
Bluetooth V1.1
 
Bluetooth V1.1是第一次真正在商业上取得成功的蓝牙核心技术规范,它成功修正了1.0B版本中发现的许多问题,并引入了对非加密通道和 RSSI(Received Signal Strength Indicator,接收信号强度指示,一种通过接收到的信号强度来确定设备间距离,并以此计算信号增益补偿的技术)的支持,从而真正实现了设备间充分的互操作性。时至今日,Bluetooth V1.1仍未完全退出市场。
 
Bluetooth V1.2
 
当前的市场格局下,使用V1.2版Bluetooth核心技术规范的蓝牙设备数量是最多的,甚至包括某些目前最新款式的手机。那么,让我们一起来看看Bluetooth究竟带来了什么新功能和好处呢?
 
◎ 自适应跳频—避开无线电频带中过于拥挤的频段,从而有效避免了干扰
 
◎ 理论数据传输速度达到1Mb/s,实际提升至721kb/s
 
◎ eSCO (extended Synchronous Connections Oriented link, 延伸同步连结导向信道技术)技术大大提升通过蓝牙传输的音频质量
 
◎ 提供了3线异步串口传输(UART)的主机控制接口(Host Controller Interface,HCI),从此蓝牙应用程序终于有了一套统一的硬件控制命令,且通过HCI的计时信息实现了人机交互的新应用功能。
 
Bluetooth V1.2充分发挥了蓝牙在支持应用多样化和易操作性上的优势,从而一度使得蓝牙的市场占有率达到前所未有的高度。
 
Bluetooth V2.0+EDR (Enhanced Data Rate,增强数据速率)
 
Bluetooth version 2.0 + EDR除提供了三倍于早期版本的高数据传输速率外,还提供了增强的多重链接功能,使用Bluetooth 2.0 + EDR的用户能够更随心所欲地同时运用多个蓝牙设备,从而使个人局域网Personal-Area Networks (PAN)和微微网(Piconets)得以普及。
 
举例而言,倘若有一个用户的PDA和笔记本电脑都具备蓝牙功能,那么他可以一 边用蓝牙无线耳机听音乐,一边将PDA和笔记本电脑通过蓝牙同步连接起来,而这二者互不干扰。
 
下面是Bluetooth 2.0+EDR主要的技术规范和新特性列表,通过它我们不难明白它为何取得如此之大成功的原因。
 
◎ 兼容早期版本的蓝牙规范
 
◎ 三倍于早期版本的速度(某些情况下甚至提升到10倍)
 
◎ 数据传输率提升至3Mb/s
 
◎ 通过减少工作周期降低了能耗
 
◎ 增加了广播/多播功能
 
◎ 因为带宽的提升,简化了多重连接方案
 
◎ 增加了分布式媒体通道控制协议(Distributed mediaaccess control protocol),10米内的峰值传输功率提升为两倍,多媒体效能大大增强
 
◎ 进一步改善了误码率,从而提高了性能
 
Bluetooth V2.1 + EDR
 
Bluetooth Core Version 2.1 + EDR在V2.0的基础上进行了如下改善
 
◎ 改善了配对机制
 
◎ 增强了电源优化
 
Bluetooth V3.0+HS (High Speed,高速)
 
在符合802.11无线局域网规范的消费类电子设备中,Bluetooth V3.0+HS看起来似乎十分理想,它保留了传统的蓝牙接口,但提供了更快的基于Wi-Fi的数据传输速率(24Mbps),理论状况下这一高速度几乎已可满足家庭局域网的绝大多数常见应用,有了它,我们甚至已不必再煞费苦心考虑如何在家里布局域网线。
 
Bluetooth 3.0+HS为消费者提供了两个较实用的功能:
 
◎ 单向广播无连接数据 (Unicast Connectionless Data,UCD)——通过快速建立连接减少了延迟时间,提升了可靠性和速度感受
 
◎ 增强型电源控制——这一特性大大减少了掉线这一为多数蓝牙用户诟病的问题
 
但必须指出,在蓝牙最核心的易用性和操作体验上,Bluetooth V3.0+HS并未较早期版本有多大改善,反而步入了盲目追求高速度、试图和Wi-Fi抢市场的歧途,而也正是这个设计理念上的异化导致 Bluetooth V3.0+HS反而显得不太“蓝牙”,时至今日Bluetooth V3.0+HS在市场占有率上仍未取得多大提升,这也值得SIG的研发人员深思。 
 
Bluetooth 4.0,双模式组合应用
 
根据Bluetooth SIG发布的Bluetooth 4.0核心规范白皮书,Bluetooth 4.0低耗电模式有双模式和单模式两种应用。低功耗蓝牙的单模式功能组件是一个高度集成的装置,具备轻量的链路层(Link Layer),能在最低成本的前提下,支持低功耗的待机模式、简易的设备发现、可靠的点对多点的数据传输、安全的加密链接等;位于上述控制器中的链路层,适用于网络连接传感器,并确保在无线传输中,都能通过低功耗蓝牙传输。
 
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低功耗蓝牙单模式架构,L2CAP为新开发的替代模块
 
在双模式应用中,蓝牙低功耗的功能会整合至现有的传统蓝牙控制器中,共享传统蓝牙技术已有的射频和功能,相较于传统的蓝牙技术,增加的成本更小;除此之外,制造商可利用升级版蓝牙低功耗技术的功能模块,集成目前的蓝牙3.0高速版本、或2.1+EDR等传统蓝牙功能组件,从而改善传统蓝牙设备的数据传输效能。
 
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图8 共享射频层和独立射频层的双模式低耗电蓝牙设计
 
图8即为蓝牙低功耗技术的双模式应用功能逻辑拓扑图,图8右边所示即为通过整合原有蓝牙技术的射频降低了升级成本。 
 
蓝牙的技术特点
技术综述
 
蓝牙(Bluetooth)通过低功率无线电波传输数据,其本质是一种支持设备短距离通信(一般是10m之内)的无线电技术。其标准是IEEE 802.15,工作在2.402~2.480GHz频率带之间,基础带宽为1Mb/s。和Wi-Fi、WiMAX等用于局域、城域的无线网络规范不同的是,Bluetooth所定义的应用范围更小一些,它将应用锁定在一个以个人为单位的人域网(PAN)领域,也就是个人起居活动范围的方圆10米之内,却容纳了包括音频、互联网、移动通信、文件传输等在内的非常多样化的应用取向,加上强调自动化和易操作性,因此在这一领域里很快就得到了普及,虽然在蓝牙的发展过程中一度曾偏离了这一主旨,但Bluetooth 4.0的出现无疑揭示了Bluetooth对自身核心价值的反思和回归。
 
调节性跳频与微微网(Piconet)的原理
 
因为蓝牙所用的频带仍处于应用繁多的2.4G无线电频率范围附近,为达到最大限度地避免设备间的相互干扰的目的,蓝牙从实际的应用出发,将信号功率设计得非常微弱,仅为手机信号的数千分之一,这样设备间的距离就只能保持在约10米范围内,从而避免了和移动电话、电视机等设备间的相互干扰。
 
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蓝牙协议所处频带分布图
 
蓝牙协议被设计为同时允许最多八个蓝牙设备互连,因此协议需要解决的另一个问题就是如何处理同在有效传输范围内的这些蓝牙设备之间的相互干扰,这一问题的解决催生了蓝牙协议最具独创性的通信方式—调节性跳频技术。它定义了79个独立且可随机选择的有效通信频率,每个蓝牙设备都能使用其中任何一个频率,且能有规律地随时跳往另一个频率,按协议规范,这样的频率跳转每秒钟会发生1600次,因此不太可能出现两个发射器使用相同频率的情况,即使在特定频率下有任何干扰,其持续时间也仅不到千分之一秒,因此该技术同时还将外界干扰对蓝牙设备间通讯的影响降低到最小。
 
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调节性跳频让蓝牙设备成为了杂技演员手中的钢球,虽然只有两只手,只要抛得足够快,就能承载更多。
 
让我们设想一下两个蓝牙设备间通讯的过程,当两个蓝牙设备互相靠近时,它们之间会发生电子会话以交流需求,这一会话过程无需用户参与,而一旦需求确认,设备间便会自动确认地址并组成一个被称为微微网(Piconet)的微型网络,此网络一旦形成,组成网络的设备便可协商好和谐地随机跳频,以确保彼此间的联系,但又不会对其它信号构成干扰,于是蓝牙——杂技演员手里的一个钢球就这样形成了。
 
蓝牙的协议组成
 
蓝牙标准从制定之初便定义成为个人区域内的无线通信制定的协议,它包括两部分:第一部分为协议核心(Core)部分,用来规定诸如射频、基带、链路管理、服务发现、传输层以及与其他通信协议间的互用、互操作性等基本组件及方法;第二部分为协议子集(Profile)部分,用来以规定不同蓝牙应用(也称使用模式)所需的协议和过程。
 
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图11 蓝牙标准模块构成
 
如图11,蓝牙标准的设计仍采用从下至上的分层式结构,以人机接口(Host Controller Interface,HCI)为界分为低层和高层协议,其中底层的基带(Baseband)、射频(Bluetooth Radio)和链路管理层(LMP)协议定义了完成数据流的过滤和传输、链路的控制、跳频和数据帧传输的基本功能;而高层协议则控制连接的建立和释放、数据的拆装、业务质量、协议的复用和分用等功能。在设计开发协议,特别是高层协议时的原则就是最大限度地重用现存的协议,而且所有高层应用协议(协议单元的垂直层)都使用公共的数据链路和物理层,这就从架构上确保了协议的开放性和适应性。
 
完整的蓝牙标准协议是一个不折不扣的大杂烩,从功能划分上它大致由四个部分组成,它们分别是蓝牙核心协议、线缆替代协议、电话控制协议和其它已采用协议,其功能简介如下:
 
核心协议
 
蓝牙的核心协议包括低层协议中的基带、链路管理(LMP)和高层协议中的逻辑链路控制与适应协议(L2CAP)和服务发现协议(SDP)四部分,基带和LMP负责在蓝牙单元间建立物理射频链路,构成微微网(piconet)。此外,LMP还要完成像鉴权和加密等安全方面的任务,包括生成和交换加密键、链路检查、基带数据包大小的控制、蓝牙无线设备的电源模式和时钟周期、微微网内蓝牙单元的连接状态等。
 
逻辑链路控制与适应协议(L2CAP)完成基带与高层协议间的适配,并通过协议复用、分用及重组操作为高层提供数据业务和分类提取,而服务发现协议 (SDP)则是所有使用模式的基础。通过SDP,可以查询设备信息、服务及服务特征,并在查询之后建立两个或多个蓝牙设备间的连接。
 
线缆替代协议
 
串行电缆仿真协议(RFCOMM)像SDP一样位于L2CAP之上,作为一个电缆替代(Cable Replacement)协议,它通过在蓝牙的基带上模拟符合RS-232标准的控制和数据信号,为将符合串行数据传输规范的应用无缝迁移到蓝牙上的实现提供了可能。
 
 电话控制协议
 
电话控制协议包括电话控制规范二进制(TCS BIN)协议和一套电话控制命令(AT-commands)。其中,TCS BIN定义了在蓝牙设备间建立话音和数据呼叫所需的呼叫控制信令;ATcommands。则是一套可在多使用模式下用于控制移动电话和调制解调器的命令,它们同样是模拟的标准电话语音通讯的相关协议规范,以确保相关语音通讯应用能够无缝迁移到蓝牙上。
 
其它已采用协议
 
其它被蓝牙兼收并蓄的协议包括PPP、UDP/TCP/IP、OBEX、WAP、WAE、vCard、vCalendar等,其特性和应用详见下表,不再一一赘叙,随着Bluetooth 3.0+HS和4.0的推出,802.11b、Wibree等新兴技术也逐步被合并其中,应用面得到进一步拓展。
 协议名称  协议功能  说明
 PPP  用以实现点到点的连接  运行在串行电缆仿真协议之上
 UDP/TCP/IP  用以实现Internet上的通信  由互联网基础规范组织IETF所定义
 IroBEX  用以实现蓝牙上的红外对象交换  由IrDA开发的一个会话协议
 OBEX  一个C/S模式的类HTTP协议  
 WAP
 用以实现HTML在移动设备上
 的展现的无线广域网协议规范
 由WAP论坛创建, 并得到广泛采用
 VCard
 一个用于定义电子
 商务卡格式的协议
 
 VCalendar
 一个用于定义个人
 日程表格式的协议
 
 
 
 
Bluetooth 4.0,低功耗的秘密
 
低功耗蓝牙为何如此省电?根据SIG官方发布会的资料,它和经典蓝牙技术相比,主要的改变集中体现在待机功耗的减少、高速连接的实现和峰值功率的降低三个方面。
 
待机功耗的下降
 
传统蓝牙设备的待机耗电量大一直是为人所诟病的缺陷之一,这与传统蓝牙技术动辄采用16~32个频道进行广播不无关系,而低功耗蓝牙仅使用了3个广播通道,且每次广播时射频的开启时间也由传统的22.5ms减少到0.6~1.2ms,这两个协议规范上的改变显然大大降低了因为广播数据导致的待机功耗;此外低功耗蓝牙设计了用深度睡眠状态来替换传统蓝牙的空闲状态,在深度睡眠状态下,主机长时间处于超低的负载循环(Duty Cycle)状态,只在需要运作时由控制器来启动,因主机较控制器消耗更多的能源,因此这样的设计也节省了最多的能源;在深度睡眠状态下,协议也针对此通讯模式进行了优化,数据发送间隔时间也增加到0.5~4s,传感器类应用程序发送的数据量较平常要少很多,而且所有连接均采用先进的嗅探性次额定 (Sniff-Subrating)功能模式,因此此时的射频能耗几乎可以忽略不计,综合以上因素,低功耗蓝牙的待机功耗较传统蓝牙大大减少。
 
高速连接的实现
 
要明白这一过程,我们必须先介绍一下蓝牙设备和主机设备的连接步骤。
 
第一步:通过扫描,试图发现新设备。
 
第二步:确认发现的设备没有而已软件,也没有处于锁定状况。
 
第三步:发送IP地址。
 
第四步:收到并解读待配对设备发送过来的数据。
 
第五步:建立并保存连接。
 
按照传统的蓝牙协议的规范,若某一蓝牙设备正在进行广播,则它不会响应当前正在进行的设备扫描,而低功耗蓝牙协议规范允许正在进行广播的设备连接到正在扫描的设备上,这就有效避免了重复扫描,而通过对连接机制的改善,低功耗蓝牙下的设备连接建立过程已可控制在3ms内完成,同时能以应用程序迅速启动链接器,并以数毫秒的传输速度完成经认可的数据传递后并立即关闭连结,而传统蓝牙协议下即使只是建立链路层连接都需要花费100ms,建立L2CAP(逻辑链路控制与适应协议)层的连接建立时间则更长。
 
蓝牙低功耗协议还对拓扑结构进行了优化,通过在每个从设备及每个数据包上使用32位的存取地址,能够让数十亿个设备能被同时连接。此技术不但将传统蓝牙一对一的连结优化,同时也利用星状拓扑来完成一对多点的连结。在连接和断线切换迅速的应用场景下,数据能够在网状拓扑之间移动,但不至于为了维持此网络而显得过于复杂,这也有效减轻了连接复杂性,减少了连接建立时间。
 
降低峰值功率
 
低功耗蓝牙对数据包长度进行了更加严格的定义,支持超短(8~27Byte)数据封包,并使用了随机射频参数和增加了GSFK调制索引,这些措施最大限度地减少了数据收发的复杂性;此外低功耗蓝牙还通过增加调变指数,并采用24位的CRC(循环冗余检查)确保封包在受干扰时具有更大的稳定度,低功耗蓝牙的射程增加至100m以上,以上措施结合蓝牙传统的跳频原理,有效降低了峰值功率。
 
总结与展望
 
笔者认为Bluetooth的灵魂在于应用而非速度,如何让应用的门槛更低,让上手更容易,让设备自动化程度更高,需要用户介入的过程越少,使用者的感受越好,数据的可靠程度越高,移动的便利性越强,那么它就是Bluetooth该努力的方向,让我们一起祝福Bluetooth有一个更好的将来吧。
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