《低功耗蓝牙开发权威指南》——1.2节设计目标

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,第1.2节设计目标,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

1.2 设计目标
评论一种技术,一个首先浮现的问题是设计者是如何优化该技术的。大多数技术通常具有一定的适用性,也会有一两项显著的优势。而了解这些优势对于加深对该技术的理解将大有裨益。
对于低功耗蓝牙而言,答案非常简单。它的设计目标就是实现最低的能耗。蓝牙SIG的一个独特之处在于该组织制定并控制从物理层到应用程序的所有层次。SIG在一个合作、开放、由商业驱动的标准化模式下运行,在过去的十多年间不断优化无线规范的制定流程,使得蓝牙规范在发布之后不但可以立即使用,而且具有互通性、鲁棒性以及极高的质量。
在设计之初,低功耗蓝牙的目标在于尽可能创造一种最低功率的、短距离的无线技术。为了实现这一目标,低功耗蓝牙技术对体系结构的每一层都进行了优化,以降低执行任务所需的能耗。例如,与经典蓝牙相比,低功耗蓝牙对于物理层的无线电参量要求有所放宽,意味着发送或接收数据时可以使用更低的功率。同样,链路层为了加快重连速度、提升数据广播的效率也进行了优化,这使得连接的保持变得不那么重要。此外,低功耗蓝牙对主机内各协议也做了优化,主要是为了减少从连接建立到应用程序完成数据发送所需的时间。这一切的优化只有依靠同一团队在同一时间完成所有的系统设计才有可能实现。
蓝牙技术最初的设计目标并未被人们遗忘,主要包括以下几个方面:
全球操作
低成本
鲁棒性
短距离
低功耗
全球操作,需要一个在世界范围内都能使用的无线频段。2.45GHz频段是目前唯一一个可实现低成本、大批量制造的频段。该频段之所以可用,是因为它对天文学家、手机运营商或其他商家来说并没有什么吸引力。不幸的是,正如其他的“免费午餐”那样,当人人都想分一杯羹时,拥挤就在所难免。当然还有其他一些可用的无线频段,比如60GHz ISM频段,但从低成本的角度来看并不适用; 800/900MHz区间的频段也可使用,但由于不同的国家或地区对具体使用频率的定义和使用规定各有不同,同样缺乏可操作性。
低成本的设计目标很有意思,因为它意味着系统应该尽可能做到简洁、高效。举个例子,尽管可以在低功耗蓝牙加入分散网(scatter net)或完整的网状网(mesh)支持,但这要求有更多的内存和处理能量来维护网络,从而增加了成本。所以,低功耗蓝牙系统在进行低成本优化时,并没有涉及在学术界广泛研究的网络拓扑学。
低功耗蓝牙使用的2.45GHz频段已经非常拥挤,仅仅考虑标准的技术就包括:经典蓝牙、低功耗蓝牙、IEEE 802.11、 IEEE 802.11b、IEEE 802.11g、 IEEE 802.11n以及 IEEE 802.15.4。另外,许多私有的无线电同样使用这个频段,包括X10视频中继器、无线警报、键盘和鼠标等。许多其他设备也会在该频段发射噪声,例如街灯和微波炉。
因此,除非沿用经典蓝牙的自适应跳频技术,否则设计一个能在各种干扰下全天候工作的无线设备将是不可能完成的任务。自适应跳频不仅有助于迅速确定干扰源,从而在未来灵活地规避,而且能从无线电波干扰引发的丢包中迅速恢复。任何无线技术只有具备这样的鲁棒性才能从拥挤的无线频段里脱颖而出。
鲁棒性还包括检测和纠正比特误码的能力,这类错误通常由背景噪声而引起。少数短距离无线标准使用长循环冗余校验(CRC),但大部分标准做了折中,使用较短的CRC校验码。优良的设计应在校检能力和发送校验信息所需的时间之间取得平衡。
短距离实际上存在一些问题。比如,如果想得到一个低功耗的系统,就必须尽可能降低传输功率以减少用于信号传输的能量。类似地,我们必须在接收方保持较高的灵敏度,才能减少从一大片噪声中采集设备的无线信号时所消耗的能量。在这里,“短距离”真正的含义在于低功耗蓝牙网络并不是一个蜂窝基站系统,而是一个个人局域网。
蓝牙的最初设计目标在设计低功耗时并没有太多改变,只是后者将能量的消耗目标降低了一到两个数量级。经典蓝牙的设计目标是能够实现长达几天的待机以及实现若干小时的与头戴耳机通话,而低功耗蓝牙的设计目标是让测量气温或测量你的步行距离的传感器能够工作几年时间。

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