藍牙低能耗技術內幕

藍牙2.1+EDR/3.0+HS版本(通常指“標準藍牙技術”)與藍牙低能耗(BLE)技術有許多共同點：它們都是低成本、短距離、可互操作的魯棒性無線技術，工作在免許可的2.4GHz ISM射頻頻段。

不過它們之間有一個重要區別：藍牙低能耗技術從一開始就設計為超低功耗(ULP)無線技術，而標準藍牙技術主要是能夠構成“低功耗的”無線連接。

標準藍牙技術是一種“面向連接”的無線技術，具有固定的連接時間間隔，因此是移動電話連接無線耳機等高活動連接的理想之選。相反，藍牙低能耗技術采用可變連接時間間隔，這個間隔根據具體應用可以設置為幾毫秒到幾秒不等。另外，因為BLE技術采用非常快速的連接方式，因此平時可以處于“非連接”狀態(節省能源)，此時鏈路兩端相互間只是知曉對方，只有在必要時才開啟鏈路，然后在盡可能短的時間內關閉鏈路。

BLE技術的工作模式非常適合用于從微型無線傳感器(每半秒交換一次數據)或使用完全異步通信的遙控器等其它外設傳送數據。這些設備發送的數據量非常少(通常幾個字節)，而且發送次數也很少(例如每秒幾次到每分鐘一次，甚至更少)。

BLE的兩種芯片架構

藍牙低能耗架構共有兩種芯片構成：單模芯片和雙模芯片。藍牙單模器件是藍牙規范中新出現的一種只支持藍牙低能耗技術的芯片——是專門針對ULP操作優化的技術的一部分。藍牙單模芯片可以和其它單模芯片及雙模芯片通信，此時后者需要使用自身架構中的藍牙低能耗技術部分進行收發數據(參考圖1)。雙模芯片也能與標準藍牙技術及使用傳統藍牙架構的其它雙模芯片通信。

圖1：雙模芯片將使用其架構中的藍牙低能耗部分與單模器件通信。

雙模芯片可以在目前使用標準藍牙芯片的任何場合使用。這樣安裝有雙模芯片的手機、PC、個人導航設備(PND)或其它應用就可以和市場上已經在用的所有傳統標準藍牙設備以及所有未來的藍牙低能耗設備通信。然而，由于這些設備要求執行標準藍牙和藍牙低能耗任務，因此雙模芯片針對ULP操作的優化程度沒有像單模芯片那么高。

單模芯片可以用單節鈕扣電池(如3V、220mAh的CR2032)工作很長時間(幾個月甚至幾年)。相反，標準藍牙技術(和藍牙低能耗雙模器件)通常要求使用至少兩節AAA電池(電量是鈕扣電池的10至12倍，可以容忍高得多的峰值電流)，并且更多情況下最多只能工作幾天或幾周的時間(取決于具體應用)。注意，也有一些高度專業化的標準藍牙設備，它們可以使用容量比AAA電池低的電池工作。

超低功耗無線技術

藍牙低能耗技術的三大特性成就了ULP性能，這三大特性分別是最大化的待機時間、快速連接和低峰值的發送/接收功耗。

無線“開啟”的時間只要不是很短就會令電池壽命急劇降低，因此任何必需的發送或接收任務需要很快完成。被藍牙低能耗技術用來最小化無線開啟時間的第一個技巧是僅用3個“廣告”信道搜索其它設備，或向尋求建立連接的設備宣告自身存在。相比之下，標準藍牙技術使用了32個信道。

這意味著藍牙低能耗技術掃描其它設備只需“開啟”0.6至1.2ms時間，而標準藍牙技術需要22.5ms時間來掃描它的32個信道。結果藍牙低能耗技術定位其它無線設備所需的功耗要比標準藍牙技術低10至20倍。

值得注意的是，使用3個廣告信道是某種程度上的妥協：這是在頻譜非常擁擠的部分對“開啟”時間(對應于功耗)和魯棒性的一種折衷(廣告信道越少，另外一個無線設備在選用頻率上廣播的機會就越多，就越容易造成信號沖突)。不過該規范的設計師對于平衡這種妥協相當有信心——比如，他們選擇的廣告信道不會與Wi-Fi默認信道發生沖突(見圖2)。

圖2：藍牙低能耗技術的廣告信道是經過慎重選擇的，可以避免與Wi-Fi發生沖突。

一旦連接成功后，藍牙低能耗技術就會切換到37個數據信道之一。在短暫的數據傳送期間，無線信號將使用標準藍牙技術倡導的自適應跳頻(AFH)技術以偽隨機的方式在信道間切換(雖然標準藍牙技術使用79個數據信道)。

要求藍牙低能耗技術無線開啟時間最短的另一個原因是它具有1Mbps的原始數據帶寬——更大的帶寬允許在更短的時間內發送更多的信息。舉例來說，具有250kbps帶寬的另一種無線技術發送相同信息需要開啟的時間要長8倍(消耗更多電池能量)。