android 藍芽低耗能（LBE）技術介紹

標籤：

    藍芽低能耗(BLE)技術是低成本、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。它從一開始就設計為超低功耗(ULP)無線技術。它利用許多智能手段最大限度地降低功耗。

　　藍芽低能耗技術採用可變連線時間間隔，這個間隔根據具體應用可以設定為幾毫秒到幾秒不等。另外，因為BLE技術採用非常快速的串連方式，因此平時可以處於“非串連”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，然後在儘可能短的時間內關閉鏈路。

　　BLE技術的工作模式非常適合用於從微型無線感應器(每半秒交換一次資料)或使用完全非同步通訊的遙控器等其它外設傳送資料。這些裝置發送的資料量非常少(通常幾個位元組)，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)。

　　超低功耗無線技術

　　藍芽低能耗技術的三大特性成就了ULP效能，這三大特性分別是最大化的待機時間、快速串連和低峰值的發送/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。被藍芽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”通道搜尋其它裝置，或向尋求建立串連的裝置宣告自身存在。相比之下，標準藍芽技術使用了32個通道。

　　這意味著藍芽低能耗技術掃描其它裝置只需“開啟”0.6至1.2ms時間，而標準藍芽技術需要22.5ms時間來掃描它的32個通道。結果藍芽低能耗技術定位其它無線裝置所需的功耗要比標準藍芽技術低10至20倍。

　　值得注意的是，使用3個廣告通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(對應於功耗)和魯棒性的一種折衷(廣告通道越少，另外一個無線裝置在選用頻率上廣播的機會就越多，就越容易造成訊號衝突)。不過該規範的設計師對於平衡這種妥協相當有信心——比如，他們選擇的廣告通道不會與Wi-Fi預設通道發生衝突(見圖1)

圖1：藍芽低能耗技術的廣告通道是經過謹慎選擇的，可以避免與Wi-Fi發生衝突

　　一旦串連成功後，藍芽低能耗技術就會切換到37個資料通道之一。在短暫的資料傳送期間，無線訊號將使用標準藍芽技術倡導的自適應跳頻(AFH)技術以偽隨機的方式在通道間切換(雖然標準藍芽技術使用79個資料通道)。

　　要求藍芽低能耗技術無線開啟時間最短的另一個原因是它具有1Mbps的未經處理資料頻寬——更大的頻寬允許在更短的時間內發送更多的資訊。舉例來說，具有250kbps頻寬的另一種無線技術發送相同資訊需要開啟的時間要長8倍(消耗更多電池能量)。

　　藍芽低能耗技術“完成”一次串連(即掃描其它裝置、建立鏈路、發送資料、認證和適當地結束)只需3ms。而標準藍芽技術完成相同的串連周期需要數百毫秒。再次提醒，無線開啟時間越長，消耗的電池能量就越多。

　　藍芽低能耗技術還能通過兩種其它方式限制峰值功耗：採用更加“寬鬆的”射頻參數以及發送很短的資料包。兩種技術都使用高斯頻移鍵控(GFSK)調製，但藍芽低能耗技術使用的調製指數是0.5，而標準藍芽技術是0.35。0.5的指數接近高斯最小頻移鍵控(GMSK)方案，可以降低無線裝置的功耗要求(這方面的原因比較複雜，本文暫不贅述)。更低調製指數還有兩個好處，即提高覆蓋範圍和增強魯棒性。

　　標準藍芽技術使用的資料包長度較長。在發送這些較長的資料包時，無線裝置必須在相對較高的功耗狀態保持更長的時間，從而容易使矽片發熱。這種發熱將改變材料的物理特性，進而改變傳送頻率(中斷鏈路)，除非頻繁地對無線裝置進行再次校準。再次校準將消耗更多的功率(並且要求閉環架構，使得無線裝置更加複雜，從而推高裝置價格)。

　　相反，藍芽低能耗技術使用非常短的資料包——這能使矽片保持在低溫狀態。因此，藍芽低能耗收發器不需要較耗能的再次校準和閉環架構。

BLE的兩種晶片架構

　　藍芽低能耗架構共有兩種晶片構成：單模晶片和雙模晶片。藍芽單模器件是藍芽規範中新出現的一種只支援藍芽低能耗技術的晶片——是專門針對ULP操作最佳化的技術的一部分。藍芽單模晶片可以和其它單模晶片及雙模晶片通訊，此時後者需要使用自身架構中的藍芽低能耗技術部分進行收發資料(參考圖2)。雙模晶片也能與標準藍芽技術及使用傳統藍芽架構的其它雙模晶片通訊。

　　雙模晶片可以在目前使用標準藍芽晶片的任何場合使用。這樣安裝有雙模晶片的手機、PC、個人導航裝置(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裝置以及所有未來的藍芽低能耗裝置通訊。然而，由於這些裝置要求執行標準藍芽和藍芽低能耗任務，因此雙模晶片針對ULP操作的最佳化程度沒有像單模晶片那麼高。

　　單模晶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，標準藍芽技術(和藍芽低能耗雙模器件)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)，並且更多情況下最多隻能工作幾天或幾周的時間(取決於具體應用)。注意，也有一些高度專業化的標準藍牙裝置，它們可以使用容量比AAA電池低的電池工作。

圖2：雙模晶片將使用其架構中的藍芽低能耗部分與單模器件通訊。

android 藍芽低耗能（LBE）技術介紹