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蓝牙低能耗
蓝牙低能耗（Bluetooth Low Energy，或称Bluetooth LE、BLE，旧商标Bluetooth Smart）也称低功耗蓝牙，是蓝牙技术联盟设计和销售的一种个人区域网路技术，旨在用于医疗保健、运动健身、信标、安防、家庭娱乐等领域的新兴套用。相较经典蓝牙，低功耗蓝牙旨在保持同等通信範围的同时显着降低功耗和成本。
基本介绍
- 中文名：蓝牙低能耗
- 外文名：Bluetooth Low Energy
- 频段：2.4GHz ISM频段
- 标準号：IEEE 802.15.1
- 频道：3个广播频道，37个数据频道
- 调製解调方式：GFSK（调製係数0.5）
兼容性
低功耗蓝牙不能向后兼容原有的蓝牙协定（下文称经典蓝牙）。
低功耗蓝牙与经典蓝牙使用相同的2.4GHz无线电频率，因此双模设备可以共享同一个天线。低功耗蓝牙使用的调变系统更简单。
品牌
2011年，蓝牙技术联盟（SIG）发表了“蓝牙智慧型”徽标，体现低功耗设备与蓝牙设备的兼容性。
- 具有“蓝牙智慧型就绪”（Bluetooth Smart Ready）标识的外设兼容经典蓝牙与低功耗蓝牙的双模。
- 具有“蓝牙智慧型”（Bluetooth Smart）标识的设备仅支持低功耗蓝牙，可以与“蓝牙智慧型就绪”或“蓝牙智慧型”设备通信。
根据2016年5月蓝牙技术联盟的品牌信息，蓝牙技术联盟开始逐步停用“蓝牙智慧型”和“蓝牙智慧型就绪”标识，恢复使用“Bluetooth”图案标誌和文字标识。标誌使用新款蓝色。
目标市场
蓝牙技术联盟的低功耗技术瞄準多个市场，特别是智慧型家庭、健康、运动健身部分。主要的优点包括：
- 低功耗，使用纽扣电池就可运行数月至数年；
- 小体积、低成本；
- 与现有的大部分手机、平板电脑和计算机兼容。
套用
蓝牙技术联盟沿用经典蓝牙的规範内容，为蓝牙低功耗定义了一些profile，这些profile定义了一个设备在特定套用情景下如何工作。製造商应通过在实现中遵循特定的profile以确保兼容性。一台设备可以使用多个profile。
当前所有低功耗套用profile都基于通用属性规範（GATT）。GATT定义了属性，作为通用的封装数据的单位，并定义了如何通过蓝牙连线传输属性从而达到传输数据的目的。蓝牙4.0能够提供低功耗的较高比特率传输。
2014年，CSR（现属高通一部分）发布了CSR Mesh协定。CSR Mesh中各设备使用蓝牙低功耗进行通信。各设备能够为其他设备转发讯息，从而实现格线效应。举例来说，藉助格线的通信能力，使用一台智慧型手机就可以关掉整栋建筑的灯光。蓝牙技术联盟已经成立了智慧型格线（Smart Mesh）研究组，研究并定义用例，纳入到标準规範中。
健康护理规範
“蓝牙低功耗”设备在医疗领域中有许多规範。康体佳健康联盟促进了他们与蓝牙技术联盟的合作。
- BLP（Blood Pressure Profile）— 用于血压测量。
- HTP（Health Thermometer Profile）— 用于医疗温度测量设备。
- GLP（Glucose Profile）— 用于血糖监测。
- CGMP（Continuous Glucose Monitor Profile）
运动和健身规範
运动和健身规範包括：
- BCS（Body Composition Service）
- CSCP（Cycling Speed and Cadence Profile）— 用于连线到脚踏车或健身脚踏车感测器，测量节奏和轮速
- CPP（Cycling Power Profile）
- HRP（心率规範）
- LNP（位置和导航规範）
- RSCP（Running Speed and Cadence Profile）
- WSP（Weight Scale Profile）
网际网路连线
- IPSP（网际网路协定支持规範）
通用感测器
- ESP（环境感应规範）
- UDS（用户数据服务）
HID连线
- HOGP（HID通过GATT规範）使蓝牙低功耗的无线滑鼠、键盘或其他设备可获得持久的电池续航时间。
接近感应
“Electronic leash”非常适合为“始终开启”的设备儘可能延长电池寿命。iBeacon设备的製造商为其设备实现了相应规範，确保与苹果公司设备的接近感应功能兼容。
有关的应用程式规範包括：
- FMP — “查找我”规範 — 允许使用另一个设备让一个设备发出提醒。
- PXP — 接近度规範 — 允许接近感应器检测接近报告器是否在附近。物理接近度可以使用无线电接收器的RSSI值估算，儘管这不是经过绝对校準的距离。一种典型设计是，设备之间的距离超过设定阈值时发出提醒。
提醒和时间规範
- 手机提醒状态规範和提醒通知规範允许客户端设备接收通知，例如另一台设备发来的来电通知。
- 时间规範允许客户端设备设定採用伺服器设备的当前时间和时区信息，例如手錶与手机之间的网路时间。
电池
- 电池服务（Battery Service）报告“电池状态”和设备中单个电池或电池组的电量级别。
实现
晶片组
从2009年年底开始，多家製造商已宣布实现蓝牙低功耗积体电路。实现通常採用软体无线电，以便可以用固件升级实现更新标準。
硬体
当今的移动设备通常发布同时支持“经典蓝牙”和“低功耗蓝牙”标準的硬体和软体。
作业系统
- iOS 5及更高版本
- Windows Phone 8.1
- Windows 8及更高版本
- Android 4.3及更高版本
- BlackBerry 10
- Linux 3.4及更高版本，通过BlueZ 5.0
- Unison OS 5.2
技术细节
无线电接口
“蓝牙低功耗”技术採用与“经典蓝牙”技术相同的工作频率（2.400GHz-2.4835GHz - ISM频带），但使用另一组信道。不同于经典蓝牙的79 1-MHz信道，蓝牙低功耗使用40 2-MHz信道。在一个信道内，数据使用高斯频移调製传输，类似经典蓝牙的基本速率方案；比特率1Mbit/s，最大发射功率10mW。。
蓝牙低功耗使用跳频扩频抵抗窄带干扰问题。经典蓝牙也使用跳频扩展，但细节有所不同；因此，FCC和ETSI将蓝牙技术分类为一个FHSS方案，蓝牙低功耗被分类为一个数字调製技术或直接序列扩频。
| 技术标準 | 经典蓝牙技术 | 蓝牙低功耗技术 |
|---|---|---|
距离/範围（理论最大值） | 100米（330英尺） | >100米（>330英尺） |
空中数据速率 | 1–3 Mbit/s | 125 kbit/s – 1 Mbit/s – 2 Mbit/s |
应用程式吞吐量 | 0.7–2.1 Mbit/s | 0.27 Mbit/s |
活跃连线 | 7 | 未定义；取决于实现 |
安全性 | 56/128位，以及套用层用户定义 | 使用Counter Mode CBC-MAC的128位AES，以及套用层用户定义 |
健壮性 | 自适应快速跳频扩展，FEC，快速ACK | 自适应跳频扩展，Lazy确认，24位CRC，32位讯息完整性检查 |
潜伏时间（从非连线状态） | 典型100 ms | 6 ms |
传送数据的最小总时间（影响续航时间） | 100 ms | 3 ms |
语音能力 | 是 | 否 |
网路拓扑 | Scatternet | Scatternet |
功耗 | 参考值1 W | 0.01至0.5 W（取决于使用情况） |
峰值电流消耗 | <30 mA | <15 mA |
服务发现 | 是 | 是 |
规範概念 | 是 | 是 |
主要用途 | 行动电话、游戏、耳机、立体声音频流、智慧型家居、可穿戴设备、汽车、个人电脑、安防、接近感测、医疗保健、运动健身等。 | 行动电话、游戏、耳机、立体声音频流、智慧型家居、可穿戴设备、汽车、个人电脑、安防、接近感测、医疗保健、运动健身、工业等。 |
更多技术细节见蓝牙技术联盟官方发布的规範。请注意，功耗不是蓝牙规範的一部分。
宣告与发现
蓝牙低功耗设备通过广播宣告（advertising）数据包的方式被发现，。为减少干扰，这使用3个独立信道（频率）完成。宣告设备在这三个频道中的至少一个上传送数据包，传送周期被称为宣告间隔。为减少多次连续冲突的机率，每个宣告时间间隔都会增加一个最长10毫秒的随机延迟。扫描器则在扫描视窗时对信道进行监听，扫描周期性重複。
因此，发现设备的等待时间存在机率性，取决于三个参数（宣告间隔、扫描间隔和扫描视窗）。
软体模型
所有蓝牙低功耗设备使用“通用属性规範”（GATT）。蓝牙低功耗提供该应用程式接口了解到作业系统通常基于GATT概念。GATT具有以下术语：
- 客户端
- 一个发出GATT命令和请求的设备，然后接受回响。例如一个计算机或智慧型手机。
- 伺服器
- 一个接受GATT命令和请求的设备，然后返迴响应。例如一个温度感测器。
- 特徵
- 在客户端与伺服器间传递的数据值，例如当前的电池电压。
- 服务
- 有关特徵的收集，具有一系列操作来执行特定功能。例如，“体温计”服务包括一个温度测量值，以及测量的时间间隔。
- 描述符
- 描述符提供有关特徵的其他信息。例如指示一个温度值特徵的单位（如摄氏度），以及感测器可以测量的最大值和最小值。描述符是可选的——每个特徵可以有任何数量的描述符。
某些服务和特徵用于管理目的——例如，“通用访问”服务中的型号名称和序列号可作为标準特徵读取。服务还可包含其他服务作为子功能；设备的主要功能被称为主（primary）服务，而附加功能被称为次（secondary）服务。
标识符
服务、特徵和描述符被统称为属性（attributes），并以UUID标识。实现者可能会为所用的专有格式挑选一个随机或伪随机UUID，但蓝牙技术联盟已预留一系列UUID（範围xxxxxxxx-0000-1000-8000-00805F9B34FB））供标準属性使用。为提高效率，协定中的标识符以16位或32位值表示，而非完整UUID所需的128位。例如，设备信息（Device Information）服务採用短码0x180A而非0000180A-0000-1000-...。完整列表见蓝牙分配号码线上文档。
GATT操作
GATT协定提供了大量用于客户端的命令以发现有关伺服器的信息。这包括：
- 发现所有主要服务的UUID
- 使用指定UUID查找一个服务
- 查找指定主服务的辅助服务
- 发现指定服务的所有特徵
- 查找匹配指定UUID的特徵
- 读取特定特徵的所有描述符
除此之外，也提供读（从伺服器传输到客户端）和写（客户端传给伺服器）特徵值的命令：
- 可以指定特徵的UUID或句柄（handle）值（由上面的发现命令返回）来读取值。
- 写操作始终需要以句柄来标识特徵，但可选是否需要伺服器返迴响应。
- 长读（Long read）和长取（Long write）可以在特徵的数据长度超过无线链路的最大传输单元（MTU）时使用。
最后，GATT有提供通知（notifications）和指示（indications）。客户端可以请求伺服器通知一项特徵。伺服器可以在其变为可用时将该值传送给客户端。例如，温度感测器的伺服器可以在每次测量时通知其客户端。这得以避免客户端轮询伺服器，造成伺服器的无线电路保持运行。
蓝牙低功耗的设计使更低功耗的设备成为了可能。包括CSR、Dialog Semiconductor、Nordic Semiconductor、意法半导体、Cypress Semiconductor和德州仪器在内的数家晶片製造商都推出了其为蓝牙低功耗最佳化的晶片组。外围设备与中央设备有着不同的功耗要求。据信标软体公司Aislelabs的一项研究显示，诸如接近信标等外围设备通常使用一枚1000毫安时的纽扣电池工作1-2年。
相比之下，连续扫描中央设备的同类信标可能在几小时内就消耗1000毫安时。在Android和iOS设备上，电池续航时间可能存在一些差异，具体取决于扫描类型和附近的蓝牙低功耗设备的数量随着晶片组和软体的不断进步，目前智慧型手机所使用的蓝牙低功耗带来的功耗已可以忽略不计。
参见
- ANT和ANT+
- DASH7
- Eddystone (Google)
- IEEE 802.15/IEEE 802.15.4-2006
- IBeacon
- 室内导航（IPS）
- 物联网（IoT）
- MyriaNed
- 超宽频（UWB）
- UWB论坛
- WiMedia联盟
- WirelessHD
- 无线通用串列汇流排
- ZigBee
- Z-wave