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《低功耗蓝牙开发权威指南》——第1章什么是低功耗蓝牙技术

简介:

本节书摘来自华章社区《低功耗蓝牙开发权威指南》一书中的第1章什么是低功耗蓝牙技术,作者 (英)Robin Heydon,更多章节内容可以访问云栖社区“华章社区”公众号查看

第1章
什么是低功耗蓝牙技术
如果我能看得更远的话,那是因为我站在巨人的肩膀上。
—艾萨克·牛顿(Isaac Newton)
低功耗蓝牙是一种全新的技术,是当前可以用来设计和使用的功耗最低的无线技术。作为经典蓝牙的扩展,低功耗蓝牙沿用了蓝牙商标,并且借鉴了很多父辈的技术,然而,由于针对的设计目标和市场领域均与经典蓝牙有所不同,低功耗蓝牙应被视为一种不同的技术。
经典蓝牙的设计目的在于统一全球各地的计算和通信设备,让手机与笔记本电脑互相连接。不过事实证明,蓝牙最为广泛的应用还是音频传输,比如将音频从手机传到蓝牙耳机。随着技术的成熟,越来越多的蓝牙应用进入人们的视线,包括立体声音频流、汽车从手机下载电子书、无线打印和文件传输。由于每一个新的应用都要求更多带宽,因此,随着时间的推移,越来越快的无线电技术不断地加入蓝牙系统中。1.0版蓝牙为基本码率(Basic Rate,BR),最大物理层数据速率为1 Mbps(兆比特每秒);2.0版本为增强码率(Enhanced Data Rate,EDR),其物理层数据传输率增至3Mbps;3.0版本引入Alternative MAC PHY (AMP,交替射频技术),利用IEEE 802.11实现了高达数百Mbps的物理层数据速率。
低功耗蓝牙选择了完全不同的方向:并非只是增加可达的数据传输速率,而是从尽可能降低功耗方面进行优化。这意味着,也许你无法获得很高的传输速率,但是可以将连接保持数小时或数天的时间。这一选择非常有趣,显然,大部分有线和无线通信技术还在马不停蹄地提升速率,如表1-1所示。
对于那些由纽扣电池供电的设备,经典蓝牙并不能真正达到它们的低功耗要求。理解了这一点,就不难明白选择新方向的原因。然而,在充分考虑低功耗的相关要求时,还有一点必须考虑到,即低功耗蓝牙应被设计成满足极大规模部署的要求,以便用于迄今尚未装备无线技术的装置。要实现极大的规模,就必须要有极低的成本。就好像射频识别(Radio Frequency Identification,RFID)通过一个价格较高的扫描装置获得能量,然而其标签本身的成本极低,从而获得了大量的部署。


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因此,从低成本的需求方面审视低功耗蓝牙的系统设计尤为重要。实现低成本的设计有三个关键因素:

  1. ISM频段
    无论从设计的角度还是从使用的角度出发,2.4GHz ISM频段对无线技术而言都是个糟糕的频段。该频段无线电传播特性差,能量极容易被各类物体吸收,尤其是水,而人体主要是由水构成的。尽管有许多显著的不利因素,但不可否认,该无线电频谱的优势是在全世界可以免许可、自由地使用。当然,“免交租金”的标志意味着其他技术一样能够使用该频段,包括绝大部分的Wi-Fi信号。不过,免许可并非等同于毫无约束,使用该频段仍然要遵守相当多的规则,主要是限制设备的输出能量和范围。当然,与许可频谱的高昂费用相比,这些限制就显得微不足道了。因此,选择使用ISM频段能够降低成本。
  2. IP许可
    当Wibree(超低功耗蓝牙)技术发展成熟,考虑将其并入已有的无线标准工作组时,诺基亚原本有多种选择方案。比如加入Wi-Fi联盟,该联盟也在2.4GHz ISM频段制定标准化技术。然而,鉴于蓝牙组织拥有较高的声誉和优厚的专利许可政策,他们最终选择了蓝牙技术联盟(Bluetooth Special Interest Group,BT SIG)。与其他采取FRAND政策的兴趣小组或联盟相比,蓝牙技术联盟的政策使得蓝牙设备的专利许可成本大为降低。而许可成本的降低使得每件设备的成本也显著降低。
  3. 低功耗
    设计一款低成本设备的最好方法就是减少制作这个设备所需的原料,比如电池。电池越大,电池盒就越大,这样又会增加成本。替换一节电池的花费,不仅指消费者需要购买新的电池,而且替换本身也包含了因设备暂时无法使用带来的机会成本。如果设备由第三方维护,比如作为家庭警备管理系统的一部分,换电池还需额外的劳动力成本。因此,设计有关低功耗的技术也是在降低各种成本。这里不妨做个脑力实验,如果只花一毛钱就能买一个兆瓦特级的电池,那事情会变得多么不同?

很多设备能容纳更大的电池,例如键盘或者鼠标内部很容易装下几节AA电池。然而生产商们却倾向于使用AAA电池,并不是因为它们更小,而是因为它们的原料成本更低,降低了设备的总成本。
因此,低功耗的基础设计就是以纽扣电池—这种最小、最便宜并且最容易购买的电池类型作为能量来源。这意味着我们无法令低功耗蓝牙实现很高的数据传输速率,或是将其用于大量数据的传输或者数据流传输。这一点或许是经典蓝牙与低功耗蓝牙的最大区别。下一节将就该问题进行详细讨论。

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