凭借低功耗特性,BLE Mesh智能方案优势显!

2018-04-27

当初爱立信开发出“蓝牙”这个技术时,应该不会想到30年后的今天,它会赢得如此大的市场规模:根据蓝牙技术联盟预测,到2018年全球蓝牙设备将达到49亿部,而且随着物联网应用场景的扩展,这一数字还在不断攀升。之所以蓝牙能够交出这样一份“成绩单”与其因应市场发展需求,不断“变形”的个性不无关系。

寂寞的前4.0时代

蓝牙诞生之初,其定位是为PC和移动设备,及其配件之间提供一种点对点的无线通信连。但是与其他无线局域网协议,特别是WiFi相比,其在传输距离和速率方面都不占优势。比如代表蓝牙协议速度极致的蓝牙3.0+HS版本,其传输速率理论上虽可达到24 Mbps,但是和动辄几百Mbps的WiFi相比还是有显差距,况且在蓝牙3.0+HS中,蓝牙只是用于完成协商和建立连,高速的数据传输是由802.11完成的。所以,干大量“传输数据”的活儿,蓝牙并无多少优势。

因此在相当长的一段时间内,蓝牙技术虽然也在演进,但其最大的应用还是局限在无线耳机等音频传输的媒介,着实有些寂寞。

蓝牙4.0:BLE的诞生

命运的转折发生在蓝牙4.0。2010年6月发布的这个蓝牙规格版本中,一个重要的变化就是将蓝牙协议分为三个子集:高速蓝牙、传统蓝牙和低功耗蓝牙(BLE)。前两者显然是沿着以前人们熟知的蓝牙技术套路前进,而新来的BLE则很准确地“踩中”了物联网兴起后短距、低速、低功耗(平均电流微安级)应用这个风口,将蓝牙扩展到可穿戴等电池容量受限的物联网应用中,扩大了蓝牙协议的语境。加之标配蓝牙的智能手机渐成个人计算中心,所以BLE很快呈燎原之势扩散开来。

不在传输速率等别人更具话语权的指标上计短长,而力求通过BLE将低功耗做到极致,这正是蓝牙审时度势认清自我后,一次成功的“变形”。BLE紧紧扣住“低功耗”这一点,做了不少文章,诸如:

与传统蓝牙采用16~32个频道相比,BLE仅使用了3个广播通道;

将射频开启时间缩减到0.6~1.2ms,BLE与传统蓝牙的22.5ms相比,能耗节省高达20倍;

BLE完成连(扫描、路、发送数据、验证和终止)只需3ms,比传统蓝牙几百毫秒减少了两个数量级;

BLE的GFSK调指数为0.5(传统蓝牙是0.35),降低了功耗要求,且有助于扩大覆盖范围及增强鲁棒性;

BLE使用的数据包比传统蓝牙更短;

具有深度睡眠状态,此时主机可长时间处于超低负载循环状态,按需开启,数据发送时间间隔也随之增加,降低系统功耗。

这些特性使得BLE成了诸多电池供电物联网设备的不二之选。在此以后,蓝牙技术规范重要的更新大都是围绕着BLE展开的。

图1,凭借低功耗特性,BLE成了可穿戴设备标配,图为安富利基于BLE开发的智能手环解决方案(图片来源:安富利)

从4.1到4.2:不断优化的连性

2013年底,蓝牙技术升级到4.1版本,对连性的优化是这个版本最大的特点。首先,蓝牙4.1对于BLE和蜂窝LTE的共存性提出了改善方案,理论上减少了与其他无线通信技术之间相互的干扰;其次,新版本中蓝牙设备可在网络中扮演多重“身份”,既可做外设也可做枢纽,给开发者提供了更多便利;此外,4.1还在增加设备重新连的时间间隔,提高传输效率,支持多设备连上做了优化。

一年之后,蓝牙4.2如期而至。与之前的版本相比,4.2规格将BLE数据包的容量从27字节增加到251个字节,让设备间的数据传输速度提升了约2.5倍。不过,蓝牙4.2最大的一个亮点,还是在连安全性上的提升。蓝牙4.2在密钥管理方面添加了不对称椭圆曲线加密法 (ECC),还使用了高级加密标准计数器,加密策略更为安全,保护了无线路的通信安全。

值得一提的是,从蓝牙4.1开始,BLE开始考虑对IPv6的支持,可创建IPv6专用通道,目的是让通过BLE连的传感器节点无需网关服务即可进行IP连和转换。蓝牙4.2在BLE协议栈中采用了互联网协议支持配置文件 (IPSP),让BLE设备通过简单廉价的路由器或网关与其他IPv6设备进行通信。这也是蓝牙为了支持更广泛的物联网连性埋下的伏笔。

蓝牙5的野心

蓝牙4.0问世之后的无线互连市场,在物联网概念的推动下,已经陷入混战。诸多无线协议都是吃着自己“碗”里的,看着别人“锅”里的,希望在物联网初级阶段割据更多的市场地盘儿。蓝牙技术携用户数量基数的优势自然不会沉默,所以在充分酝酿之后,蓝牙技术联盟在2016年底发布了蓝牙5。人们津津乐道的蓝牙5的性能“大跃进”包括:

数据传输速率提高2倍,从4.0的1Mbps提升到2Mbps;

信号覆盖范围提升4倍,可达300米;

广播信道发送的数据长度提升8倍,从31个字节增加到255个字节。

图2,蓝牙5数据包容量/数据吞吐量关系图(图片来源:Nordic Semiconductor)

不过,比性能参数更值得注意的是,新规范背后蕴含的蓝牙技术新的“野心”——从蓝牙5开始,BLE在坚守低功耗的前提下正通过“变形”,获得向细分市场更强的渗透力。

数据传输速率的提升,使得蓝牙5在发送特定数据量时,无线电活跃的时间比4.x协议更短,从而让射频系统处于深度休眠模式的时间更长,进一步降低了功耗,这对于典型的BLE应用价值显著。

而蓝牙5定义的“4倍传输范围”,并非通过提高射频发射功率获得,而是通过提高收器的灵敏度以及在数据包中增加冗余位纠错的方式实现。当然,其代价是必须受较低的数据速率,而且由于需要更长的数据传输和校验时间平均功耗也会增加。

不过试想一下,传输距离的提升可以让用户摆脱杂的Mesh网络,通过一个简单的星形结构就可以将连范围延展至百米以上,这实际上是想与ZigBee等既有技术直对标竞争,以期为蓝牙扩展出新的应用领域。其中颇具深意。

广播信道发送数据长度的提升,则是蓝牙希望通过Beacon应用,从个人消费市场想商业领域渗透的努力,借此新特性零售商或服务商可以在广告包中向地理位置近的用户推送更多信息,实现高效的获客和销售转化。这与目前如火如荼的“新零售”无疑有显的交集。

所以可以预见,蓝牙5规范“变形”之后,连带出的蓝牙应用形态的“变形”会更加丰富。

BLE Mesh来了

也有人认为蓝牙5的“变形”中稍有缺憾,因为人们期望的BLE Mesh并没有包含在内。实际上在此之前,“民间”关于利用BLE实现Mesh网络的尝试一直没有停歇,只是大家期待在蓝牙5中能够得到蓝牙技术联盟官方的承认,顺利“转正”。毕竟,随着应用的拓展,传统星型组网方式的局限性难免会限人们的想象,Mesh网络中基于节点之间直进行数据传输,可以提高效率,且在杂环境中有更强的网络“自愈”能力。

这次,蓝牙没有让人们等待太久,2017年7月蓝牙技术联盟宣布蓝牙技术开始全面支持Mesh网络!当然,从理论上讲,由于BLE Mesh基于网络泛洪的协议,模式简单、易于实现,但不利于节点的低功耗优化以及大规模提升节点数目,但蓝牙这新一波的“变形”已然启动,技术的瓶颈总会被不断突破,未来在Mesh网络的世界里一定不乏蓝牙的身影。

图3,安富利开发的BLE Mesh智能方案(图片来源:安富利)

其实,像蓝牙这样热衷“变形”的技术并不少见,只是蓝牙是其中最具代表性的一个。只要市场需求不断发展,开发者的想象没有上限,这样的“变形”就会没完没了

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原文标题:没完没了:蓝牙“变形”记

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