【導讀】現如今的藍牙3.0還未普及，但是藍牙4.0規范已經成為又一次藍牙技術史上的革新。本文對藍牙4.0技術特性進行了較為細致的講解，闡述了低功耗藍牙技術的全新應用模式。
當前的家庭客廳系統，點對點架構已經帶來糾纏不清的線纜和混亂，如果我們還想把游戲機、數碼相機、DV、耳機、麥克風還有移動電話都連接起來，可能還得考慮增加USB、1394、SPDIF以及各種充電器和電源插座線纜。
有沒有一種通用的、不需要用戶干預的簡便方法把各種電子設備連接在一起，而又不至于被線纜淹沒呢？在Wi-Fi之外，大家現在已經比較熟悉的“藍牙”正是這樣一種連接技術，它被設計為面向個人和家庭的無線式自動連接，其三大核心特點便是無線、低成本和自動化。
你是通過什么途徑來了解并熟悉藍牙技術的？我想對于絕大部分用戶而言，無非是兩個途徑—藍牙耳機或者手機的藍牙功能。也許你知道如何用藍牙功能，但是你了解藍牙技術嗎？未必！尤其是在洗盡浮華而轉重視實用層面的藍牙4.0技術發布之后，藍牙的應用面又得到了極大的擴展。從1.0的失敗到4.0的革新變遷，藍牙技術經歷了哪些改變和進化？藍牙技術的基本原理是什么？當然還有大家最關心的藍牙4.0到底能給我們帶來什么？我們即將為您一一解答。
Bluetooth 4.0 協議組成
和當前主流的Bluetooth2.x+EDR、還未普及的Bluetooth3.0+HS不同，Bluetooth 4.0是Bluetooth從誕生至今唯一的一個綜合協議規范，還提出了低功耗藍牙、經典藍牙和高速藍牙三種模式。其中高速藍牙主攻數據交換與傳輸，經典藍牙則以信息溝通、設備連接為重點，藍牙低功耗顧名思義，以不需占用太多帶寬的設備連接為主。這三種協議規范還能夠互相組合搭配、從而實現更廣泛的應用模 式，此外，Bluetooth 4.0還把藍牙的傳輸距離提升到100米以上（低功耗模式條件下）。
Bluetooth SIG表示，正式推出Bluetooth 4.0的用意就是希望能夠通過單一的接口，讓應用系統自己挑選技術使用，而不是讓消費者進行設備互連時，還要手動選擇各項設備的連接模式，這一人性化的功 能取向顯然沿襲了藍牙關注可用性和實際體驗的設計思路，三種應用模式中，因為經典藍牙和高速藍牙都只是對舊有藍牙版本的延續和強化，下面我們將重點闡述將全新的低功耗藍牙技術。
Bluetooth 4.0 低耗電模式在應用模式上的改變和提升
低功耗藍牙的前身其實是NOKIA開發的Wibree技術，本是作為一項專為移動設備開發的極低功耗的移動無線通信技術，在被SIG接納并規范化之后重新命名為Bluetooth Low Energy（后簡稱低功耗藍牙）。由于該技術專為極低電池量的裝置而設計，僅通過普通紐扣電池供電便可確保長達一年的正常使用，因此在包括醫療、工業控制、無線鍵盤、鼠標、甚至單音耳機、無線遙控器等設備領域都可得到廣泛應用。譬如裝有記步器的運動鞋、裝有脈搏量測的運動手環等，就可以通過低功耗藍牙低功耗技術將監控信息傳送到記錄器（能是手表或是PDA）上，而不需像標準藍牙設備一般需要常常充電。它易于與其它藍牙技術整合，既可補足藍牙技術在無線個人區域網絡（PAN）的應用，也能加強該技術為小型設備提供無線連接的能力。
如果說Wibree的超低功耗奠定了一個技術上的基礎，那么該協議被更名為Bluetooth Low Energy并納入Bluetooth 4.0之后，便拓展成為一種全新的應用模式。因為低功耗藍牙提供了持久的無線連接且有效擴大相關應用產品的射程，在各種傳感器和終端設備上采集到 的信息被通過低功耗藍牙采集到電腦、手表、移動電話等具備計算和處理能力的主機設備中，再通過GPRS、3G、經典/高速模式藍牙或WLAN等傳統無線網 絡應用與相應的Web服務關聯，從而從根本上解決當前傳統網絡應用在模式上的局限性和交互手段匱乏、數據來源少、實時性差等問題，真正讓網絡步入生活。
圖1： 低耗電藍牙帶來的應用模式的改變
必須指出，因為低功耗藍牙在應用模式上的革命性提升，將催生的應用模式完全無法進行預估，因此它將拓展出的應用市場絕不會是一個成熟的利基市場，而將是一片真正意義上的新領域，只要有對應用的準確把握和合理的理念，誰都可能在這個領域里掘得第一桶金。
Bluetooth 4.0 雙模式組合應用
根據Bluetooth SIG發布的Bluetooth 4.0核心規范白皮書，Bluetooth 4.0低耗電模式有雙模式和單模式兩種應用。低功耗藍牙的單模式藍牙的技術特點技術綜述藍牙（Bluetooth）通過低功率無線電波傳輸數據，其本質是一種支持設備短距離通信（一般是10m之內）的無線電技術。其標準是IEEE 802.15，工作在2.402～2.480GHz頻率帶之間，基礎帶寬為1Mb/s。和Wi-Fi、WiMAX等用于局域、城域的無線網絡規范不同的是，Bluetooth所定義的應用范圍更小一些，它將應用鎖定在一個以個人為單位的人域網（PAN）領域，也就是個人起居活動范圍的方圓10米之內，卻容納了包括音頻、互聯網、移動通信、文件傳輸等在內的非常多樣化的應用取向，加上強調自動化和易操作性，因此在這一領域里很快就得到了普及，雖然在藍牙的發展過程中一度曾偏離了這一主旨，但Bluetooth 4.0的出現無疑揭示了Bluetooth對自身核心價值的反思和回歸。
調節性跳頻與微微網（Piconet）的原理
因為藍牙所用的頻帶仍處于應用繁多的2.4G無線電頻率范圍附近，為達到最大限度地避免設備間的相互干擾的目的，藍牙從實際的應用出發，將信號功率設計 得非常微弱，僅為手機信號的數千分之一，這樣設備間的距離就只能保持在約10米范圍內，從而避免了和移動電話、電視機等設備間的相互干擾。
藍牙協議被設計為同時允許最多八個藍牙設備互連，因此協議需要解決的另一個問題就是如何處理同在有效傳輸范圍內的這些藍牙設備之間的相互干擾，這一問題的解決催生了藍牙協議最具獨創性的通信方式—調節性跳頻技術。它定義了79個獨立且可隨機選擇的有效通信頻率，每個藍牙設備都能使用其中任何一個頻率，且能有規律地隨時跳往另一個頻率，按協議規范，這樣的頻率跳轉每秒鐘會發生1600次，因此不太可能出現兩個發射器使用相同頻率的情況，即使在特定頻率下有任何干擾，其持續時間也僅不到千分之一秒，因此該技術同時還將外界干擾對藍牙設備間通訊的影響降低到最小。
讓我們設想一下兩個藍牙設備間通訊的過程，當兩個藍牙設備互相靠近時，它們之間會發生電子會話以交流需求，這一會話過程無需用戶參與，而一旦需求確認，設備間便會自動確認地址并組成一個被稱為微微網（Piconet）的微型網絡，此網絡一旦形成，組成網絡的設備便可協商好和諧地隨機跳頻，以確保彼此間的聯系，但又不會對其它信號構成干擾，于是藍牙—雜技演員手里的一個鋼球就這樣形成了。
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藍牙的協議組成 藍牙標準從制定之初便定義成為個人區域內的無線通信制定的協議，它包括兩部分：第一部分為協議核心（Core）部分，用來規定諸如射頻、基帶、鏈路管理、 服務發現、傳輸層以及與其他通信協議間的互用、互操作性等基本組件及方法；第二部分為協議子集（Profile）部分，用來以規定不同藍牙應用（也稱使用 模式）所需的協議和過程。
圖2： 共享射頻層和獨立射頻層的雙模式低耗電藍牙設計
藍牙標準的設計仍采用從下至上的分層式結構，以人機接口（Host Controller Interface，HCI）為界分為低層和高層協議，其中底層的基帶（Baseband）、射頻（BluetoothRadio）和鏈路管理層（LMP）協議定義了完成數據流的過濾和功能組件是一個高度集成的裝置，具備輕量的鏈路層（Link Layer），能在最低成本的前提下，支持低功耗的待機模式、簡易的設備發現、可靠的點對多點的數據傳輸、安全的加密鏈接等；位于上述控制器中的鏈路層，適用于網絡連接傳感器，并確保在無線傳輸中，都能通過低功耗藍牙傳輸。在雙模式應用中，藍牙低功耗的功能會整合至現有的傳統藍牙控制器中，共享傳統藍牙技 術已有的射頻和功能，相較于傳統的藍牙技術，增加的成本更小；除此之外，制造商可利用升級版藍牙低功耗技術的功能模塊，集成目前的藍牙3.0高速版本、或2.1+EDR等傳統藍牙功能組件，從而改善傳統藍牙設備的數據傳輸效能。圖2即為藍牙低功耗技術的雙模式應用功能邏輯拓撲圖，圖2右邊所示即為通過整合原有藍牙技術的射頻降低了升級成本。
圖3： 藍牙標準模塊構成
低功耗藍牙為何如此省電？根據SIG官方發布會的資料，它和經典藍牙技術相比，主要的改變集中體現在待機功耗的減少、高速連接的實現 和峰值功率的降低三個方面。待機功耗的下降 傳統藍牙設備的待機耗電量大一直是為人所詬病的缺陷之一，這與傳統藍牙技術動輒采用16～32個頻道進行廣播不無關系，而低功耗藍牙僅使用了3個廣播通道，且每次廣播時射頻的開啟時間也由傳統的22.5ms減少到0.6～1.2ms，這兩個協議規范上的改變顯然大大降低了因為廣播數據導致的待機功耗；此 外低功耗藍牙設計了用深度睡眠狀態來替換傳統藍牙的空閑狀態，在深度睡眠狀態下，主機長時間處于超低的負載循環（DutyCycle）狀態，只在需要運作 時由控制器來啟動，因主機較控制器消耗更多的能源，因此這樣的設計也節省了最多的能源；在深度睡眠狀態下，協議也針對此通訊模式進行了優化，數據發送間隔 時間也增加到0.5～4s，傳感器類應用程序發送的數據量較平常要少很多，而且所有連接均采用先進的嗅探性次額定（Sniff-Subrating）功能模式，因此此時的射頻能耗幾乎可以忽略不計，綜合以上因素，低功耗藍牙的待機功耗較傳統藍牙大大減少。
高速連接的實現要明白這一過程，我們必須先介紹一下藍牙設備和主機設備的連接步驟：
第一步：通過掃描，試圖發現新設備
第二步：確認發現的設備沒有而已軟件，也沒有處于鎖定狀況
第三步：發送IP地址
第四步：收到并解讀待配對設備發送過來的數據
第五步：建立并保存連接
按照傳統的藍牙協議的規范，若某一藍牙設備正在進行廣播，則它不會響應當前正在進行的設備掃描，而低功耗藍牙協議規范允許正在進行廣播的設備連接到正在 掃描的設備上，這就有效避免了重復掃描，而通過對連接機制的改善，低功耗藍牙下的設備連接建立過程已可控制在3ms內完成，同時能以應用程序迅速啟動鏈接 器，并以數毫秒的傳輸速度完成經認可的數據傳遞后并立即關閉連結，而傳統藍牙協議下即使只是建立鏈路層連接都需要花費100ms，建立L2CAP（邏輯鏈 路控制與適應協議）層的連接建立時間則更長。
藍牙低功耗協議還對拓撲結構進行了優化，通過在每個從設備及每個數據包上使用32位的存取 地址，能夠讓數十億個設備能被同時連接。此技術不但將傳統藍牙一對一的連結優化，同時也利用星狀拓撲來完成一對多點的連結。在連接和斷線切換迅速的應用場 景下，數據能夠在網狀拓撲之間移動，但不至于為了維持此網絡而顯得過于復雜，這也有效減輕了連接復雜性，減少了連接建立時間。降低峰值功率 低功耗藍牙對數據包長度進行了更加嚴格的定義，支持超短（8～27Byte）數據封包，并使用了隨機射頻參數和增加了GSFK調制索引，這些措施最大限度 地減少了數據收發的復雜性；此外低功耗藍牙還通過增加調變指數，并采用24位的CRC（循環冗余檢查）確保封包在受干擾時具有更大的穩定度，低功耗藍牙的 射程增加至100m以上，以上措施結合藍牙傳統的跳頻原理，有效降低了峰值功率。
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