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低能耗蓝牙

也被称为蓝牙4.0,是低能耗应用的短程无线协议的扩展。
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描述

低功耗蓝牙,正式名称为蓝牙4.0,是经典BT技术的扩展。BLE是一种超低、短射程(3至10米;见注1)用于节能应用和一次性设备的无线协议。

BLE的优点(和聪明)是它继承了其父BT经典所具有的所有功能、标准和互操作性。这意味着为BLE平台开发有很多可以移植的技术。它的设计只是为了消耗更少的能源。BLE的设计与它的更大、更快的兄弟1.2、2.0 + EDR(增强数据速率版本)和3.0 +HS(高速版本)完全相反。

剥开这些层,看看技术就会发现,该设计重用了BT无线电的大部分现有框架,包括2.4 GHz ISM频段。这意味着它向后兼容所有现有的BT设计。以下是一系列的规格:

—OTA数据速率:1mbps。
-调制方案:带跳频的GFSK(见注2)。
—通道:40。
—最大输出功率:+ 10dbm。
—额定输出功率:0 dBm。
-主要操作方式:广告、扫描、主机、从机。
—包数据传输:8 ~ 27字节/包。
—延迟:低至3ms,典型为6ms。
—健壮性:每包24位CRC校验。
—内置安全:AES-128,计数器模式,CBC-MAC,应用层用户自定义。
—拓扑:32位散网,一对一、一对多。

BLE在与功率消耗有关的许多领域改进了经典BT。BLE的能源效率是经典BT的20倍,但在某些地方降低了一个数量级的电力消耗。它通过使用许多方案和一个能够快速连接周期的非常简单的链路层来实现这一点。通常,BLE设备只有1%的时间处于清醒状态(最低睡眠模式通常会消耗< 1.0微安),当它醒来时,空闲电流模式是几十微安。当处于数据传输模式时,峰值电流上升到最大15 mA。

从一开始,BLE的设计就考虑到了简单性。为了实现最低功耗的崇高目标,BLE设计专注于需要在相对较短的距离上传输少量数据的应用程序和设备。这是通过一个新的协议栈来实现的,该协议栈可以快速构建简单的链路。这个过程建立了一个超快的连接,接着是一串短的分钟数据包,然后是一个超快的断开。这类似于脉冲式数据传输方案,非常适用于数据片段的快速通信,例如“冰箱中的温度变化超过2度,或者房间不再被占用。”

有三个主要元素可以用来完成这个任务。它们是一个智能主控制器,以及一个可调的占空比和消息长度。就控制器而言,智能意味着它能够监视活动并仅对需要特定于主机的操作的活动作出响应。这意味着主机可以在大部分时间保持睡眠模式。

另外两个主要的低能耗组件是可调占空比和消息长度。占空比可调至0.1%。这样做的目的是为应用程序和设备开发者提供一个最小的目标,让他们的运行时间最大化,如果这是他们的目标的话。可调消息变量为应用程序提供了将消息打包在更长的或更短的包中以提高效率的选项。原因是较长的单个消息比多条短消息更节能,这主要是由于设置和删除开销,但其他系统参数也有影响。

效率的另一个关键参数是稳健性。使用跳频是因为它相对不受干扰,因此减少了冗余要求。这在多无线环境中特别有用,例如家庭或公共无线热点,其中存在多种协议(Wi-Fi、ZigBee、蜂窝等)。

无线设备的周期越多,延迟就越多。简单地说,当活动需要向信号添加额外的处理时,就会产生延迟。这可能是由于链路预算,信号或组件不稳定,或信号强度。BLE通过其简单的架构解决了这个问题,它使用小数据包和简单的协议。

BLE是为小分组传输而设计的。通常,每个数据包包括8到27个字节(见注3)。此外,连接实现了嗅探分级(见注释4),这提供了非常低的占空比。

也许BLE最伟大的教义是它的简单性。分层的GATT体系结构(参见图2)简化了概要文件的创建和实现。由于易于实现是最初设计考虑的一部分,应用程序和嵌入式设备可以快速适应BLE架构。


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