一种超低功耗蓝牙技术

一种超低功耗蓝牙技术

自1998年制定蓝牙标准以来，蓝牙技术已在全球范围内迅速开发。虽然蓝牙技术的功耗已经很小,但是随着该技术被进一步应用在更多的新兴领域,例如在无线传感器网络的应用中,其功耗仍然不能满足人们的需求。如何进一步降低其功耗逐渐成为了蓝牙技术向前发展的一个亟待解决的问题。针对这个问题,本文介绍了一种基于蓝牙的新的无线网络通信技术——超低功耗蓝牙(UltraLowPowerBluetooth)技术。1wibe无线通讯针对蓝牙技术的功耗在新型的应用领域方面的不足,早在2001年,诺基亚就开始研究一种被称之为Wibree的短距无线技术,并在2006年10月正式推出了该项技术。Wibree使用与蓝牙相同的频带和硬件,但是发送功率较低,进行无线通讯的设备也较小。2007年6月12日,以诺基亚公司为首,合作方包括卡西欧、CSR、爱普生、Nordic、意法和德州仪器等公司倡导的Wibree低功耗无线技术协议被蓝牙联盟接纳后,将它集成到了现有的蓝牙规格当中,并将其名称改为ULP蓝牙,现在又被称为低能耗蓝牙(BluetoothLowEnergy)。2alp蓝牙系统的安全保障如图1所示,ULP蓝牙系统完整的协议栈自上而下由应用层、Host层、HCI层(HostControllerInterface)和Radio层所组成的。其中,Radio层又被分为了链路层和物理层。·应用层定义了各种类型的应用业务,是协议栈的最上层。·Host层定义了各种数据包的格式和一些协议的规范以及ULP蓝牙系统所采用的安全模式。·HCI层的作用就是对Host层和Radio层进行连接。它提供了一个能够对ULP蓝牙系统的Radio层的功能进行访问的统一的接口。·链路层的功能是执行一些基带协议和其他一些低级的链路程序。ULP蓝牙系统使用了频分多址(FDMA)和时分多址(TDMA)技术。在FDMA方案中,ULP蓝牙系统的40个物理信道被分成了广播信道和数据信道。基于轮询方案的TDMA被使用在了链路层中。·物理层采用跳频(frequencyhopping)技术来减少干扰和信号的衰减。ULP蓝牙系统工作于2.4GHz,标准蓝牙和ZigBee都使用这个频率,该频率属于工业、科学及医疗设备(ISM:IndustrialScientificMedical)频段,无须经过当局许可便可使用。ULP蓝牙系统使用的中心频率为2402+k×2MHz,其中k为0-39之间的任意整数,因此,ULP蓝牙系统共有40个通信信道。在两个工作频带之间还存在着防护频带,带宽比较低的防护频带为2MHz,带宽比较高的防护频带为3.5MHz。3外围设备通信如图2所示,ULP蓝牙系统是建立在星形拓扑结构之上的。一个中央设备可以决定一个或多个外围设备的运行安排。中央设备被称作主设备,它可以和多个外围设备进行通信。外围设备被称作从设备,它只能和一个主设备进行数据包的交换。数据包是在链路层的连接中被交换的。一个从设备一次只能有一个链路层的连接。因此,一个链路层的连接只能包含一个主设备和一个从设备。在标准蓝牙中,一个主设备可以和7-16777184个从设备进行通信。而在ULP蓝牙中是没有这个限制的,即一个主设备可以和无数个从设备进行通信。因此,ULP蓝牙网络被限制为只有一个主设备与一个或多个从设备的网络。4系统无线层的工作角色如表1所示,ULP蓝牙系统Radio层有两种不同的工作状态:空闲状态和连接状态。如表2所示,ULP蓝牙系统Radio层有五种不同的工作角色:广播者角色、扫描者角色、发起者角色、主角色和从角色。当Radio层执行完发起者的角色后,进入主角色;当Radio层执行完广播者的角色后,则进入从角色。但是,Radio层不能同时执行广播者角色和扫描者角色,也不能同时执行主角色和从角色。Radio层的工作角色的联合如表3所示。5ulp蓝牙技术的特点5.1alp蓝牙的优势(1)对于采用了标准蓝牙技术的设备来说,当它想要处于可连接状态或者可发现状态时,它必须使自己的Radio层在一段时间内保持激活状态。因为在这段时间内,其他的设备有可能会向它发送数据包。它在这段时间内会扫描超过32个不同的频率,以及在移动到下一个频率之前,它还会对当前的频率进行检查以判断此频率是否可用。这段时间将会超过22ms。而对于采用了ULP蓝牙技术的设备来说,当它想要处于可连接状态或者可发现状态时,它只需要发送3个短的数据包,之后,它立即开始监听,以判断是否有其他设备想要和它开始会话。这种会话可以是一种扫描请求,例如在设备发现阶段,为了显示而请求更多的关于用户接口的信息;它还可以是一种连接请求,这种请求被用来在两个设备之间发起一个连接。这3个数据包占据的时间以及为了获得回应而进行监听所消耗的时间一共只有1.4ms。由此可以看出,采用ULP蓝牙技术的设备的效率比采用标准蓝牙设备的效率高了17倍之多。(2)一个设备从醒来,建立连接,发送应用数据,到断开连接,总共占用的时间对它的电池的寿命有很大的影响。占用的时间越短,所消耗的能量也就越低,电池的使用寿命也就越长。采用了ULP蓝牙技术的无线通信设备只需要3ms的时间就可以完成上述过程,从而大大延长了其电池的使用寿命。(3)在标准蓝牙技术中,包的开销为210μs(这个数值指的是DM1包的开销,这个包包含了1-4个字节的L2CAP包头),而在ULP蓝牙技术中,包的开销为112μs(这个数值指的是一个数据包的开销,这个数据包有4个字节的L2CAP包头)。这就意味着,当发送相同的信息的时候,ULP蓝牙技术的包的大小只有标准蓝牙技术的包的一半。因此,与标准蓝牙技术相比,ULP蓝牙技术可以使用更少的能量去传送相同数量的应用数据。(4)ULP蓝牙技术采用了具有SSR(SniffSub-rating)功能的搜索模式,通过被设定在2个设备之间相互发送确认讯号的时间间隔来达到节省功耗的目的。一般来说,当2个被连接的蓝牙设备进人待机状态之后,这2个蓝牙设备之间仍然需要通过相互的呼叫来确定彼此是否仍在联机状态。也正因为这样,蓝牙芯片就必须随时保持在工作状态,即使蓝牙设备的其他组件都已经进入休眠模式。为了改善这样的状况,标准蓝牙规范(2.1版本)将2个设备之间相互发送确认讯号的时间间隔从旧版的0.1秒延长到了0.5秒左右,这样就可以让蓝牙芯片的工作负载大幅降低,也可以让蓝牙设备有更多的时间进行彻底休眠。采用此技术之后,蓝牙装置在开启蓝牙连接之后的待机时间可以有效地延长至原来的5倍以上。虽然标准蓝牙也采用了这种模式来实现低功耗运行,但它和ULP蓝牙的区别在于后者从连接一开始就采用这种模式。这就是说,每个ULP蓝牙连接均自动处于SSR搜索模式,因此ULP蓝牙设备能自动以极低的功耗去运行。(5)标准蓝牙设备有3个不同的功率级别,各个级别的最小输出功率分别为1mW、0.25mW、N/A,而采用了ULP蓝牙技术的设备的最小发射功率仅为0.01mW,并且它的发射功率还会随着Radio层的工作模式的改变而动态的改变。由此可以看出,对于ULP蓝牙设备而言,最小发射功率只是标准蓝牙设备的最小输出功率的25分之一。综上所述,ULP蓝牙技术特别省电,避免了频繁的更换电池或充电,从而减轻了网络维护的负担、增加了网络使用寿命。特别像在极端危险的战场环境中,出于安全方面的考虑,战斗人员不可能频繁地为传感器更换电池,因此ULP蓝牙技术的超低功耗将有效地减少战斗人员的伤亡。5.2频道技术的原理ULP蓝牙的设计非常可靠。它采用了跳频技术,每隔一段时间就从一个频率跳到另一个频率,不断搜寻干扰较小的信道。因此,从根本上保证了数据传输的可靠性。5.3设计并进行了弹性蓝牙协议栈(1)ULP蓝牙设备可采用现有的标准CMOS工艺技术制造。由于其时序要求不像标准蓝牙那样严格,加之其协议栈被设计的非常简练,因此它的研发和生产成本相对较低。(2)由于ULP蓝牙设备工作在2.4GHz频段,无需缴纳版权或专利费用,也降低了它的成本。5.4限制太多ULP蓝牙是一种真正的全球技术,在使用方面没有特殊的规定,也不存在限制性规则。5.5数据加密,保障网络安全ULP蓝牙技术提供了数据完整性检查和鉴权功能,采用128bitAES对数据进行加密,使网络安全能够得到有效的保障。下面给出一份ULP蓝牙参数和标准蓝牙参数的对比表格,如表4所示,从此表格中可以具体的看到ULP蓝牙较之标准蓝牙在功耗方面的优势,以及在其他性