一種超低功耗藍(lán)牙技術(shù)

一種超低功耗藍(lán)牙技術(shù)

自1998年制定藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)以來，藍(lán)牙技術(shù)已在全球范圍內(nèi)迅速開發(fā)。雖然藍(lán)牙技術(shù)的功耗已經(jīng)很小,但是隨著該技術(shù)被進(jìn)一步應(yīng)用在更多的新興領(lǐng)域,例如在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用中,其功耗仍然不能滿足人們的需求。如何進(jìn)一步降低其功耗逐漸成為了藍(lán)牙技術(shù)向前發(fā)展的一個(gè)亟待解決的問題。針對(duì)這個(gè)問題,本文介紹了一種基于藍(lán)牙的新的無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)——超低功耗藍(lán)牙(UltraLowPowerBluetooth)技術(shù)。1wibe無線通訊針對(duì)藍(lán)牙技術(shù)的功耗在新型的應(yīng)用領(lǐng)域方面的不足,早在2001年,諾基亞就開始研究一種被稱之為Wibree的短距無線技術(shù),并在2006年10月正式推出了該項(xiàng)技術(shù)。Wibree使用與藍(lán)牙相同的頻帶和硬件,但是發(fā)送功率較低,進(jìn)行無線通訊的設(shè)備也較小。2007年6月12日,以諾基亞公司為首,合作方包括卡西歐、CSR、愛普生、Nordic、意法和德州儀器等公司倡導(dǎo)的Wibree低功耗無線技術(shù)協(xié)議被藍(lán)牙聯(lián)盟接納后,將它集成到了現(xiàn)有的藍(lán)牙規(guī)格當(dāng)中,并將其名稱改為ULP藍(lán)牙,現(xiàn)在又被稱為低能耗藍(lán)牙(BluetoothLowEnergy)。2alp藍(lán)牙系統(tǒng)的安全保障如圖1所示,ULP藍(lán)牙系統(tǒng)完整的協(xié)議棧自上而下由應(yīng)用層、Host層、HCI層(HostControllerInterface)和Radio層所組成的。其中,Radio層又被分為了鏈路層和物理層。·應(yīng)用層定義了各種類型的應(yīng)用業(yè)務(wù),是協(xié)議棧的最上層?！ost層定義了各種數(shù)據(jù)包的格式和一些協(xié)議的規(guī)范以及ULP藍(lán)牙系統(tǒng)所采用的安全模式?！CI層的作用就是對(duì)Host層和Radio層進(jìn)行連接。它提供了一個(gè)能夠?qū)LP藍(lán)牙系統(tǒng)的Radio層的功能進(jìn)行訪問的統(tǒng)一的接口?！ゆ溌穼拥墓δ苁菆?zhí)行一些基帶協(xié)議和其他一些低級(jí)的鏈路程序。ULP藍(lán)牙系統(tǒng)使用了頻分多址(FDMA)和時(shí)分多址(TDMA)技術(shù)。在FDMA方案中,ULP藍(lán)牙系統(tǒng)的40個(gè)物理信道被分成了廣播信道和數(shù)據(jù)信道?；谳喸兎桨傅腡DMA被使用在了鏈路層中?！の锢韺硬捎锰l(frequencyhopping)技術(shù)來減少干擾和信號(hào)的衰減。ULP藍(lán)牙系統(tǒng)工作于2.4GHz,標(biāo)準(zhǔn)藍(lán)牙和ZigBee都使用這個(gè)頻率,該頻率屬于工業(yè)、科學(xué)及醫(yī)療設(shè)備(ISM:IndustrialScientificMedical)頻段,無須經(jīng)過當(dāng)局許可便可使用。ULP藍(lán)牙系統(tǒng)使用的中心頻率為2402+k×2MHz,其中k為0-39之間的任意整數(shù),因此,ULP藍(lán)牙系統(tǒng)共有40個(gè)通信信道。在兩個(gè)工作頻帶之間還存在著防護(hù)頻帶,帶寬比較低的防護(hù)頻帶為2MHz,帶寬比較高的防護(hù)頻帶為3.5MHz。3外圍設(shè)備通信如圖2所示,ULP藍(lán)牙系統(tǒng)是建立在星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)之上的。一個(gè)中央設(shè)備可以決定一個(gè)或多個(gè)外圍設(shè)備的運(yùn)行安排。中央設(shè)備被稱作主設(shè)備,它可以和多個(gè)外圍設(shè)備進(jìn)行通信。外圍設(shè)備被稱作從設(shè)備,它只能和一個(gè)主設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)包的交換。數(shù)據(jù)包是在鏈路層的連接中被交換的。一個(gè)從設(shè)備一次只能有一個(gè)鏈路層的連接。因此,一個(gè)鏈路層的連接只能包含一個(gè)主設(shè)備和一個(gè)從設(shè)備。在標(biāo)準(zhǔn)藍(lán)牙中,一個(gè)主設(shè)備可以和7-16777184個(gè)從設(shè)備進(jìn)行通信。而在ULP藍(lán)牙中是沒有這個(gè)限制的,即一個(gè)主設(shè)備可以和無數(shù)個(gè)從設(shè)備進(jìn)行通信。因此,ULP藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)被限制為只有一個(gè)主設(shè)備與一個(gè)或多個(gè)從設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)。4系統(tǒng)無線層的工作角色如表1所示,ULP藍(lán)牙系統(tǒng)Radio層有兩種不同的工作狀態(tài):空閑狀態(tài)和連接狀態(tài)。如表2所示,ULP藍(lán)牙系統(tǒng)Radio層有五種不同的工作角色:廣播者角色、掃描者角色、發(fā)起者角色、主角色和從角色。當(dāng)Radio層執(zhí)行完發(fā)起者的角色后,進(jìn)入主角色;當(dāng)Radio層執(zhí)行完廣播者的角色后,則進(jìn)入從角色。但是,Radio層不能同時(shí)執(zhí)行廣播者角色和掃描者角色,也不能同時(shí)執(zhí)行主角色和從角色。Radio層的工作角色的聯(lián)合如表3所示。5ulp藍(lán)牙技術(shù)的特點(diǎn)5.1alp藍(lán)牙的優(yōu)勢(shì)(1)對(duì)于采用了標(biāo)準(zhǔn)藍(lán)牙技術(shù)的設(shè)備來說,當(dāng)它想要處于可連接狀態(tài)或者可發(fā)現(xiàn)狀態(tài)時(shí),它必須使自己的Radio層在一段時(shí)間內(nèi)保持激活狀態(tài)。因?yàn)樵谶@段時(shí)間內(nèi),其他的設(shè)備有可能會(huì)向它發(fā)送數(shù)據(jù)包。它在這段時(shí)間內(nèi)會(huì)掃描超過32個(gè)不同的頻率,以及在移動(dòng)到下一個(gè)頻率之前,它還會(huì)對(duì)當(dāng)前的頻率進(jìn)行檢查以判斷此頻率是否可用。這段時(shí)間將會(huì)超過22ms。而對(duì)于采用了ULP藍(lán)牙技術(shù)的設(shè)備來說,當(dāng)它想要處于可連接狀態(tài)或者可發(fā)現(xiàn)狀態(tài)時(shí),它只需要發(fā)送3個(gè)短的數(shù)據(jù)包,之后,它立即開始監(jiān)聽,以判斷是否有其他設(shè)備想要和它開始會(huì)話。這種會(huì)話可以是一種掃描請(qǐng)求,例如在設(shè)備發(fā)現(xiàn)階段,為了顯示而請(qǐng)求更多的關(guān)于用戶接口的信息;它還可以是一種連接請(qǐng)求,這種請(qǐng)求被用來在兩個(gè)設(shè)備之間發(fā)起一個(gè)連接。這3個(gè)數(shù)據(jù)包占據(jù)的時(shí)間以及為了獲得回應(yīng)而進(jìn)行監(jiān)聽所消耗的時(shí)間一共只有1.4ms。由此可以看出,采用ULP藍(lán)牙技術(shù)的設(shè)備的效率比采用標(biāo)準(zhǔn)藍(lán)牙設(shè)備的效率高了17倍之多。(2)一個(gè)設(shè)備從醒來,建立連接,發(fā)送應(yīng)用數(shù)據(jù),到斷開連接,總共占用的時(shí)間對(duì)它的電池的壽命有很大的影響。占用的時(shí)間越短,所消耗的能量也就越低,電池的使用壽命也就越長(zhǎng)。采用了ULP藍(lán)牙技術(shù)的無線通信設(shè)備只需要3ms的時(shí)間就可以完成上述過程,從而大大延長(zhǎng)了其電池的使用壽命。(3)在標(biāo)準(zhǔn)藍(lán)牙技術(shù)中,包的開銷為210μs(這個(gè)數(shù)值指的是DM1包的開銷,這個(gè)包包含了1-4個(gè)字節(jié)的L2CAP包頭),而在ULP藍(lán)牙技術(shù)中,包的開銷為112μs(這個(gè)數(shù)值指的是一個(gè)數(shù)據(jù)包的開銷,這個(gè)數(shù)據(jù)包有4個(gè)字節(jié)的L2CAP包頭)。這就意味著,當(dāng)發(fā)送相同的信息的時(shí)候,ULP藍(lán)牙技術(shù)的包的大小只有標(biāo)準(zhǔn)藍(lán)牙技術(shù)的包的一半。因此,與標(biāo)準(zhǔn)藍(lán)牙技術(shù)相比,ULP藍(lán)牙技術(shù)可以使用更少的能量去傳送相同數(shù)量的應(yīng)用數(shù)據(jù)。(4)ULP藍(lán)牙技術(shù)采用了具有SSR(SniffSub-rating)功能的搜索模式,通過被設(shè)定在2個(gè)設(shè)備之間相互發(fā)送確認(rèn)訊號(hào)的時(shí)間間隔來達(dá)到節(jié)省功耗的目的。一般來說,當(dāng)2個(gè)被連接的藍(lán)牙設(shè)備進(jìn)人待機(jī)狀態(tài)之后,這2個(gè)藍(lán)牙設(shè)備之間仍然需要通過相互的呼叫來確定彼此是否仍在聯(lián)機(jī)狀態(tài)。也正因?yàn)檫@樣,藍(lán)牙芯片就必須隨時(shí)保持在工作狀態(tài),即使藍(lán)牙設(shè)備的其他組件都已經(jīng)進(jìn)入休眠模式。為了改善這樣的狀況,標(biāo)準(zhǔn)藍(lán)牙規(guī)范(2.1版本)將2個(gè)設(shè)備之間相互發(fā)送確認(rèn)訊號(hào)的時(shí)間間隔從舊版的0.1秒延長(zhǎng)到了0.5秒左右,這樣就可以讓藍(lán)牙芯片的工作負(fù)載大幅降低,也可以讓藍(lán)牙設(shè)備有更多的時(shí)間進(jìn)行徹底休眠。采用此技術(shù)之后,藍(lán)牙裝置在開啟藍(lán)牙連接之后的待機(jī)時(shí)間可以有效地延長(zhǎng)至原來的5倍以上。雖然標(biāo)準(zhǔn)藍(lán)牙也采用了這種模式來實(shí)現(xiàn)低功耗運(yùn)行,但它和ULP藍(lán)牙的區(qū)別在于后者從連接一開始就采用這種模式。這就是說,每個(gè)ULP藍(lán)牙連接均自動(dòng)處于SSR搜索模式,因此ULP藍(lán)牙設(shè)備能自動(dòng)以極低的功耗去運(yùn)行。(5)標(biāo)準(zhǔn)藍(lán)牙設(shè)備有3個(gè)不同的功率級(jí)別,各個(gè)級(jí)別的最小輸出功率分別為1mW、0.25mW、N/A,而采用了ULP藍(lán)牙技術(shù)的設(shè)備的最小發(fā)射功率僅為0.01mW,并且它的發(fā)射功率還會(huì)隨著Radio層的工作模式的改變而動(dòng)態(tài)的改變。由此可以看出,對(duì)于ULP藍(lán)牙設(shè)備而言,最小發(fā)射功率只是標(biāo)準(zhǔn)藍(lán)牙設(shè)備的最小輸出功率的25分之一。綜上所述,ULP藍(lán)牙技術(shù)特別省電,避免了頻繁的更換電池或充電,從而減輕了網(wǎng)絡(luò)維護(hù)的負(fù)擔(dān)、增加了網(wǎng)絡(luò)使用壽命。特別像在極端危險(xiǎn)的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中,出于安全方面的考慮,戰(zhàn)斗人員不可能頻繁地為傳感器更換電池,因此ULP藍(lán)牙技術(shù)的超低功耗將有效地減少戰(zhàn)斗人員的傷亡。5.2頻道技術(shù)的原理ULP藍(lán)牙的設(shè)計(jì)非?？煽?。它采用了跳頻技術(shù),每隔一段時(shí)間就從一個(gè)頻率跳到另一個(gè)頻率,不斷搜尋干擾較小的信道。因此,從根本上保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?.3設(shè)計(jì)并進(jìn)行了彈性藍(lán)牙協(xié)議棧(1)ULP藍(lán)牙設(shè)備可采用現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝技術(shù)制造。由于其時(shí)序要求不像標(biāo)準(zhǔn)藍(lán)牙那樣嚴(yán)格,加之其協(xié)議棧被設(shè)計(jì)的非常簡(jiǎn)練,因此它的研發(fā)和生產(chǎn)成本相對(duì)較低。(2)由于ULP藍(lán)牙設(shè)備工作在2.4GHz頻段,無需繳納版權(quán)或?qū)＠M(fèi)用,也降低了它的成本。5.4限制太多ULP藍(lán)牙是一種真正的全球技術(shù),在使用方面沒有特殊的規(guī)定,也不存在限制性規(guī)則。5.5數(shù)據(jù)加密,保障網(wǎng)絡(luò)安全ULP藍(lán)牙技術(shù)提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權(quán)功能,采用128bitAES對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密,使網(wǎng)絡(luò)安全能夠得到有效的保障。下面給出一份ULP藍(lán)牙參數(shù)和標(biāo)準(zhǔn)藍(lán)牙參數(shù)的對(duì)比表格,如表4所示,從此表格中可以具體的看到ULP藍(lán)牙較之標(biāo)準(zhǔn)藍(lán)牙在功耗方面的優(yōu)勢(shì),以及在其他性