無線通信之藍牙BLE技術(shù)

目前全球有超過一億種的設(shè)備支持藍牙技術(shù)，其中超過五成是使用在手機上，藍牙技術(shù)是消費性電子產(chǎn)品無線傳輸?shù)慕鉀Q方案。有超過一半的消費者手上至少有一種支持藍牙技術(shù)的設(shè)備，全球大多數(shù)消費者都能識別此品牌標(biāo)志。

無線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議對比

我們比較熟悉的網(wǎng)絡(luò)有Zigee，WIFI、Bluetooth（傳統(tǒng)藍牙，新一代藍牙也發(fā)生了巨大的變化），他們?nèi)咧g的關(guān)系可以從下圖中看出來。

從上圖中可以看到不同的無線數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議在數(shù)據(jù)傳輸速率和傳輸距離有各自的使用范圍。

Zigbee、藍牙以及WIFI標(biāo)準(zhǔn)都是工作在2.4GHz頻段的無線通信標(biāo)準(zhǔn)。下面將BLE與傳統(tǒng)藍牙、WIFI標(biāo)準(zhǔn)進行簡要的比較，幫助讀者快速地了解。

傳統(tǒng)藍牙數(shù)據(jù)傳輸速率小于3Mbps，典型數(shù)據(jù)傳輸距離為2-10m，藍牙技術(shù)的典型應(yīng)用是在兩部手機之間進行小量數(shù)據(jù)的傳輸。

WIFI最高數(shù)據(jù)傳輸速率可達50Mbps，典型數(shù)據(jù)傳輸距離在30-100m，WIFI技術(shù)提供了一種Intemet的無線接入技術(shù)。

藍牙4.0

藍牙無線技術(shù)是使用范圍最廣泛的全球短距離無線標(biāo)準(zhǔn)之一，全新的藍牙4.0版本將三種藍牙技術(shù)（即傳統(tǒng)藍牙，高速藍牙和低功耗藍牙技術(shù)）合而為一。它集成了藍牙技術(shù)在無線連接上的固有優(yōu)勢，同時增加了高速藍牙和低功耗藍牙的特點，這三個規(guī)格可以組合使用，也可以單獨使用。

低功耗藍牙即BLE是藍牙4.0的核心規(guī)范，該技術(shù)最大特點是擁有超低的運行功耗和待機功耗，藍牙低功耗設(shè)備使用一粒紐扣電池可以連續(xù)工作數(shù)年之久，可應(yīng)用于對成本和功耗都有嚴(yán)格要求的無線方案，而且隨著智能機的發(fā)展將有著更加廣泛的領(lǐng)域。

2016年6月，國際藍牙技術(shù)聯(lián)盟提出了藍牙5.0的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

藍牙BLE

低功耗藍牙技術(shù)Bluetooth Low Energy

國際藍牙聯(lián)盟（BT-SIG）通過的一個標(biāo)準(zhǔn)藍牙無線協(xié)議。

BLE規(guī)范中定義了GAP（Generic Access Profile）和GATT（Generic Attribute）兩個基本配置文件。

協(xié)議中的GAP層負(fù)責(zé)設(shè)備訪問模式和進程，包括設(shè)備發(fā)現(xiàn)，建立連接。終止連接。初始化安全特征和設(shè)備配置。

協(xié)議棧中的GATT層用于已連接的藍牙設(shè)備之間的數(shù)據(jù)通信。

BLE是一種標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)定義了短距離、低數(shù)據(jù)傳輸速率無線通信所需要的一系列通信協(xié)議?；贐LE的無線網(wǎng)絡(luò)所使用的工作頻段為868MHz、915MHz和2.4GHz，最大數(shù)據(jù)傳輸速率為250kbps。

藍牙4.0與傳統(tǒng)藍牙之間的關(guān)系

Smart Ready和Smart以及傳統(tǒng)藍牙之間是什么關(guān)系呢，請看下圖：

Smart Ready可以和Smart Ready、傳統(tǒng)藍牙，以及Smart之間相互連接和通信。

傳統(tǒng)藍牙可以和Smart Ready、傳統(tǒng)藍牙之間連接和通信

Smart可以和Smart、Smart Ready之間連接和通信

低功耗藍牙與其他藍牙兼容性示意

雙模設(shè)備

1：BasicRate（BR），2：Bluetooth Low Energy（BLE），同時支持BR和BLE的設(shè)備為dual-mode（雙模）設(shè)備，也就是這里討論的Smart Ready。Smart Ready是藍牙4.0里的主體，一般具有穩(wěn)定電源供電的設(shè)備，如手機，PC等采用的均是雙模的藍牙芯片。

單模設(shè)備

那么Smart又是什么呢，Smart是藍牙4.0里的低功耗藍牙的商標(biāo)，也就是Bluetooth Low Energy，縮寫為LE或者BLE，網(wǎng)上關(guān)于藍牙4.0一節(jié)紐扣電池能夠使用一年均是針對BLE而言。Smart Ready功耗還是很大的，需要有穩(wěn)定的電源供電，像手機、PC等設(shè)備，而Smart由于功耗低，一般使用電池、或紐扣電池供電。

Smart的最主要特點是低功耗和低速率。

BLE的特點

總體而言，BLE技術(shù)具有如下特點：

1、高可靠性

對于無線通信而言，由于電磁波在傳輸過程中容易受很多因素的干擾，例如，障礙物的阻擋、天氣狀況等，因此，無線通信系統(tǒng)在數(shù)據(jù)傳輸過程中，具有內(nèi)在的不可靠性。藍牙技術(shù)聯(lián)盟SIG在指定藍牙4.0規(guī)范時已經(jīng)考慮到了這種數(shù)據(jù)傳輸過程中的內(nèi)在的不確定性，在射頻，基帶協(xié)議，鏈路管理協(xié)議中采用可靠性措施，包括：差錯檢測和矯正，進行數(shù)據(jù)編解碼，數(shù)據(jù)加噪等，極大的提供藍牙無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕硗?，使用自適應(yīng)調(diào)頻技術(shù)，最大程度的減少和其他2.4G無線電波的串?dāng)_。

2、低成本、低功耗

低功耗藍牙支持兩種部署方式：雙模式和單模式，一般智能機上采用雙模，外設(shè)一般采用BLE單模。

低功耗設(shè)計：藍牙4.0版本強化了藍牙在數(shù)據(jù)傳輸上的低功耗性能，功耗較傳統(tǒng)藍牙降低了90%。

傳統(tǒng)藍牙設(shè)備的待機耗電量一直是其缺陷之一，這與傳統(tǒng)藍牙技術(shù)采用16——32個頻道進行廣播有很大關(guān)系，而低功耗藍牙僅適用3個廣播通道，且每次廣播時射頻的開啟時間也有傳統(tǒng)的22.5ms減少到0.6~1.2ms，這兩個協(xié)議規(guī)范的改變，大幅降低了因為廣播數(shù)據(jù)導(dǎo)致的待機功耗。

低功耗藍牙設(shè)計用深度睡眠狀態(tài)來替換傳統(tǒng)藍牙的空閑狀態(tài)，在深度睡眠狀態(tài)下，主機Host長時間處于超低的負(fù)載循環(huán)Duty Cycle狀態(tài)，只在需要運作時由控制器來啟動，由于主機較控制器消耗的能源更多，因此這樣的設(shè)計也節(jié)省了更多的能源。

（3）快速啟動、瞬間連接

此前藍牙版本的啟動速度非常緩慢，2.1版本的藍牙啟動連接需要6s時間，而藍牙4.0版本僅需要3ms即可完成，幾乎是瞬間連接。

4、傳輸距離極大提供

傳統(tǒng)藍牙傳輸距離一般2-10m，而藍牙4.0的有效傳輸距離可以達到60~100m，傳輸距離提升了10倍，極大開拓了藍牙技術(shù)的應(yīng)用前景。

5、高安全性

為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?，使用AES-128 CCM加密算法進行數(shù)據(jù)包加密認(rèn)證。

BLE無線網(wǎng)絡(luò)通信信道分析

天線對于無線通信系統(tǒng)來說至關(guān)重要，在日常生活中可以看到各式各樣的天線，如手機天線、電視接收天線等，天線的主要功能可以概括為：完成無線電波的發(fā)射與接收。發(fā)射時，把高頻電流轉(zhuǎn)換為電磁波發(fā)射出去；接收時，將電磁波轉(zhuǎn)換為高頻電流。

如何區(qū)分不同的電波呢？

一般情況，不同的電波具有不用的頻譜，無線通信系統(tǒng)的頻譜有幾十兆赫茲到幾千兆赫茲，包括了收音機、手機、衛(wèi)星電視等使用的波段，這些電波都使用空氣作為傳輸介質(zhì)來傳播，為了防止不同的應(yīng)用之間相互干擾，就需要對無線通信系統(tǒng)的通信信道進行必要的管理。

各個國家都有自己的無線電管理結(jié)構(gòu)，如美國的聯(lián)邦通信委員會（FCC）、歐洲的典型標(biāo)準(zhǔn)委員會（ETSI），我國的無線電管理機構(gòu)稱為中國無線電管理委員會，其主要職責(zé)是負(fù)責(zé)無線電頻率的劃分、分配與指配、衛(wèi)星軌道位置協(xié)調(diào)和管理、無線電監(jiān)測、檢測、干擾查處，協(xié)調(diào)處理電磁干擾事宜和維護空中電波秩序等。

一般情況，使用某一特定的頻段霈要得到無線電管理部門的許可，當(dāng)然，各國的無線電管理部門也規(guī)定了一部分頻段是對公眾開放的，不需要許可即可使用，以滿足不同的應(yīng)用需求，這些頻段包括ISM（Industrial. Scientific and Medical-I業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療）頻帶。

除了ISM頻帶外，在我國，低于135kHz，在北美、日本等地，低于400kHz的頻帶也是免費頻段。各國對無線頻譜的管理不僅規(guī)定了ISM頻帶的頻率，同時也規(guī)定了在這些頻帶上所使用的發(fā)射功率，在項目開發(fā)過程中，需要查閱相關(guān)的手冊，如我國信息產(chǎn)業(yè)部發(fā)布的《微功率（短距離）無線電設(shè)備管理規(guī)定》。

BLE工作在ISM頻帶，定義了兩個頻段，2.4GHz頻段和896/915MHz頻帶。在IEEE 802.15.4中共規(guī)定了27個信道：

在2.4GHz頻段，共有16個信道，信道通信速率為250kbps：

在915MHz頻段，共有10個信道，信道通信速率為40kbps：

在868MHz頻段，有1個信道，信道通信速率為20kbpS。

BLE工作在2.4GHz頻段，僅適用3個廣播通道，適用所有藍牙規(guī)范版本通用的自適應(yīng)調(diào)頻技術(shù)。

自適應(yīng)調(diào)頻技術(shù)是建立在自動信道質(zhì)量分析基礎(chǔ)上的一種頻率自使用和功率自適應(yīng)控制相結(jié)合的技術(shù)，他能使調(diào)頻通信過程中自動避開被干擾的調(diào)頻頻點并以最小的發(fā)射功率、最低的被截獲概率，達到在無干擾的調(diào)頻信道上長時間保持優(yōu)質(zhì)通信的目的。

BLE技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域

一直以來，藍牙技術(shù)在配件方面的應(yīng)用都更受關(guān)注，但隨著移動時代的迅猛發(fā)展，BLE將會有更大的用武之地。事實上，BLE的低功耗技術(shù)，在設(shè)計之初便主打醫(yī)療與健康監(jiān)控等特殊市場 ，而總的來說，藍牙4.0的發(fā)展方向?qū)⑹沁\動管理、醫(yī)療健康照護、智能儀表、智能家居以及各種物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)應(yīng)用。

在醫(yī)療健康領(lǐng)域

過去不少健康類的應(yīng)用都是基于藍牙2.1協(xié)議去做的，但因受限于耗電問題而未能掀動太大波瀾。BLE化解這一難題后，市場被強力激活。如由英特爾發(fā)起，并由許多不同醫(yī)療技術(shù)與保健機構(gòu)成立的Continua健康聯(lián)盟，便已決議將BLE納入日后的標(biāo)準(zhǔn)傳輸技術(shù)中。

現(xiàn)在市場上已有許多采用藍牙2.1規(guī)格的醫(yī)療產(chǎn)品，如血壓計、血糖儀等，未來，通過Continua健康聯(lián)盟正式認(rèn)證的藍牙4.0規(guī)格的醫(yī)療類產(chǎn)品肯定會越來越多。健康應(yīng)用方面，BLE也有廣闊的市場空間，其可以與健身設(shè)備進行無縫結(jié)合，人們在使用健身器材時，就能通過相關(guān)設(shè)備如計步器、脈搏機等來傳送并記錄運動情況進入移動設(shè)備，保存?zhèn)€人的健康信息。

在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域

目前市場上的所有智能設(shè)備都是物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)發(fā)展的推動力量，但BLE能夠起到打通物聯(lián)網(wǎng)的和傳感器設(shè)備之間的“關(guān)節(jié)”的節(jié)點作用，這將從關(guān)鍵意義上推動物聯(lián)網(wǎng)的真正發(fā)展。由于藍牙技術(shù)一向關(guān)注上層應(yīng)用，有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，因此各種各樣的底層硬件雖出自不同制造廠家，卻可以互聯(lián)互通，能夠形成完善的生態(tài)環(huán)境，為自身及物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品市場都創(chuàng)造了良好環(huán)境。

有分析認(rèn)為，當(dāng) BLE把每個人的安卓或者其他移動設(shè)備變?yōu)橐粋€傳感器標(biāo)簽時，它所能做的將不僅僅是通過應(yīng)用軟件去找東西，而是將擁有巨大的可拓展性，如它可以通過App和傳感器來構(gòu)建一個P2P的網(wǎng)絡(luò)以模擬GPS的功能等?？傊?dāng)BLE傳感器無處不在時，定然蘊藏著巨大商機。

智能照明

目前市場上傳統(tǒng)的智能燈光大部分都是有線控制，或必須要有一個的遙控器，對燈光進行控制。存在控制距離有限，不夠靈活的問題。低功耗藍牙智能MESH燈，利用低功耗藍牙技術(shù)，采用MESH組網(wǎng)技術(shù)，只需在您的智能手機上安裝一個app，即可實現(xiàn)燈光的智能組網(wǎng)控制更加方便，靈活，同時支持遙控器設(shè)備。

隨著智能電視的發(fā)展，傳統(tǒng)的遙控器已經(jīng)越來越無法滿足用戶的需求，語音遙控正在逐漸成為標(biāo)配。使用我們的智能語音遙控方案，通過語音控制智能電視等設(shè)備，可以使用戶更加快速有效的選取自己的所喜歡的節(jié)目。

HID設(shè)備應(yīng)用

采用低功耗藍牙技術(shù)，相較傳統(tǒng)藍牙鍵盤鼠標(biāo)，具有功耗更低，配對連接更加快速方便的特點。在客戶現(xiàn)有的鼠標(biāo)、鍵盤上，可以增加BLE實現(xiàn)產(chǎn)品的快速升級。

小家電

在傳統(tǒng)小家電上，例如，豆?jié){機、電飯煲等，增加低功耗藍牙控制，將其升級為更加智能的小家電設(shè)備，通過智能手機對小家電進行開關(guān)、預(yù)約等各種控制，還可以對小家電進行故障自檢、固件升級等功能，給生活帶來不一樣的體驗。

Beacon應(yīng)用

Beacon基于藍牙廣播給手機發(fā)送信息，能幫助商家優(yōu)化經(jīng)營策略，利用用戶的地理位置提供服務(wù)。

商家可以利用beacon設(shè)備通知消費者有哪些新產(chǎn)品，提供代金券，鼓勵消費者的沖動性消費。也能用Beacon技術(shù)所取得的數(shù)據(jù)，比如地理位置和購買記錄，提供更多消費者滿意度信息，更好地提供服務(wù)。

停車場找車位場景，不用掏出手機，手表上的震動反饋就能幫你找到空位和愛車也是beacon理想的應(yīng)用。

智能消息推送、產(chǎn)品廣告推廣、室內(nèi)定位導(dǎo)航正在逐漸成為趨勢，要實現(xiàn)這些功能，Beacon產(chǎn)品的作為基礎(chǔ)的硬件設(shè)備，不可或缺。同時蘋果ibeacon、微信搖一搖，阿里等互聯(lián)網(wǎng)巨頭也在推動beacon應(yīng)用發(fā)展。

Bluetooth的靈魂在于應(yīng)用而非速度，如何讓應(yīng)用的門檻更低，讓上手更容易，讓設(shè)備自動化程度更高，需要用戶介入的過程越少，使用者的感受越好，數(shù)據(jù)的可靠程度越高，移動的便利性越強，那么它就是Bluetooth該努力的方向，如今隨著物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用發(fā)展，藍牙5.0的技術(shù)也應(yīng)運而生，讓我們一起祝福Bluetooth有一個更好的將來吧。