當前的家庭客廳係統，點對點架構已經帶來糾纏不清的線纜和混亂
，如果我們還想把遊戲機
、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、不需要用戶幹預的簡便方法把各種電子設備連接在一起，而又不至於被線纜淹沒呢？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
，它被設計為麵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。

你是通過什麼途徑來了解並熟悉藍牙技術的？我想對於絕大部分用戶而言，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麵的藍牙4.0技術發布之後，藍牙的應用麵又得到了極大的擴展。從1.0的失敗到4.0的革新變遷，藍牙技術經曆了哪些改變和進化
？藍牙技術的基本原理是什麼？當然還有大家最關心的藍牙4.0到底能給我們帶來什麼？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範，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。這三種協議規範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(de)用(yong)意(yi)就(jiu)是(shi)希(xi)望(wang)能(neng)夠(gou)通(tong)過(guo)單(dan)一(yi)的(de)接(jie)口(kou)，讓(rang)應(ying)用(yong)係(xi)統(tong)自(zi)己(ji)挑(tiao)選(xuan)技(ji)術(shu)使(shi)用(yong)，而(er)不(bu)是(shi)讓(rang)消(xiao)費(fei)者(zhe)進(jin)行(xing)設(she)備(bei)互(hu)連(lian)時(shi)，還(hai)要(yao)手(shou)動(dong)選(xuan)擇(ze)各(ge)項(xiang)設(she)備(bei)的(de)連(lian)接(jie)模(mo)式(shi)，這(zhe)一(yi)人(ren)性(xing)化(hua)的(de)功(gong) 能(neng)取(qu)向(xiang)顯(xian)然(ran)沿(yan)襲(xi)了(le)藍(lan)牙(ya)關(guan)注(zhu)可(ke)用(yong)性(xing)和(he)實(shi)際(ji)體(ti)驗(yan)的(de)設(she)計(ji)思(si)路(lu)
，三(san)種(zhong)應(ying)用(yong)模(mo)式(shi)中(zhong)，因(yin)為(wei)經(jing)典(dian)藍(lan)牙(ya)和(he)高(gao)速(su)藍(lan)牙(ya)都(dou)隻(zhi)是(shi)對(dui)舊(jiu)有(you)藍(lan)牙(ya)版(ban)本(ben)的(de)延(yan)續(xu)和(he)強(qiang)化(hua)，下(xia)麵(mian)我(wo)們(men)將(jiang)重(zhong)點(dian)闡(chan)述(shu)將(jiang)全(quan)新(xin)的(de)低(di)功(gong)耗(hao)藍(lan)牙(ya)技(ji)術(shu)。

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接納並規範化之後重新命名為Bluetooth Low Energy（後簡稱低功耗藍牙）。由於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
、工業控製、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。它易於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，那麼該協議被更名為Bluetooth Low Energy並納入Bluetooth 4.0之(zhi)後(hou)，便(bian)拓(tuo)展(zhan)成(cheng)為(wei)一(yi)種(zhong)全(quan)新(xin)的(de)應(ying)用(yong)模(mo)式(shi)。因(yin)為(wei)低(di)功(gong)耗(hao)藍(lan)牙(ya)提(ti)供(gong)了(le)持(chi)久(jiu)的(de)無(wu)線(xian)連(lian)接(jie)且(qie)有(you)效(xiao)擴(kuo)大(da)相(xiang)關(guan)應(ying)用(yong)產(chan)品(pin)的(de)射(she)程(cheng)，在(zai)各(ge)種(zhong)傳(chuan)感(gan)器(qi)和(he)終(zhong)端(duan)設(she)備(bei)上(shang)采(cai)集(ji)到(dao) 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。


必bi須xu指zhi出chu
，因yin為wei低di功gong耗hao藍lan牙ya在zai應ying用yong模mo式shi上shang的de革ge命ming性xing提ti升sheng，將jiang催cui生sheng的de應ying用yong模mo式shi完wan全quan無wu法fa進jin行xing預yu估gu，因yin此ci它ta將jiang拓tuo展zhan出chu的de應ying用yong市shi場chang絕jue不bu會hui是shi一yi個ge成cheng熟shu的de利li基ji市shi場chang，而er將jiang是shi一yi片pian真zhen正zheng意yi義yi上shang的de新xin領ling域yu
，隻zhi要yao有you對dui應ying用yong的de準zhun確que把ba握wo和he合he理li的de理li念nian
，誰shui都dou可ke能neng在zai這zhe個ge領ling域yu裏li掘jue得de第di一yi桶tong金jin。

Bluetooth 4.0 雙模式組合應用

根據Bluetooth SIG發布的Bluetooth 4.0核心規範白皮書，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等用於局域、城域的無線網絡規範不同的是，Bluetooth所定義的應用範圍更小一些
，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範圍的方圓10米之內，卻容納了包括音頻、互聯網、移動通信
、文(wen)件(jian)傳(chuan)輸(shu)等(deng)在(zai)內(nei)的(de)非(fei)常(chang)多(duo)樣(yang)化(hua)的(de)應(ying)用(yong)取(qu)向(xiang)，加(jia)上(shang)強(qiang)調(tiao)自(zi)動(dong)化(hua)和(he)易(yi)操(cao)作(zuo)性(xing)，因(yin)此(ci)在(zai)這(zhe)一(yi)領(ling)域(yu)裏(li)很(hen)快(kuai)就(jiu)得(de)到(dao)了(le)普(pu)及(ji)
，雖(sui)然(ran)在(zai)藍(lan)牙(ya)的(de)發(fa)展(zhan)過(guo)程(cheng)中(zhong)一(yi)度(du)曾(zeng)偏(pian)離(li)了(le)這(zhe)一(yi)主(zhu)旨(zhi)，但(dan)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於應用繁多的2.4G無線電頻率範圍附近，為達到最大限度地避免設備間的相互幹擾的目的，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隻能保持在約10米範圍內，從而避免了和移動電話

、電視機等設備間的相互幹擾。

lanyaxieyibeishejiweitongshiyunxuzuiduobagelanyashebeihulian，yincixieyixuyaojiejuedelingyigewentijiushiruhechulitongzaiyouxiaochuanshufanweineidezhexielanyashebeizhijiandexianghuganrao，zheyiwentidejiejuecuishenglelanyaxieyizuijuduchuangxingdetongxinfangshi—調節性跳頻技術。它定義了79個ge獨du立li且qie可ke隨sui機ji選xuan擇ze的de有you效xiao通tong信xin頻pin率lv
，每mei個ge藍lan牙ya設she備bei都dou能neng使shi用yong其qi中zhong任ren何he一yi個ge頻pin率lv，且qie能neng有you規gui律lv地di隨sui時shi跳tiao往wang另ling一yi個ge頻pin率lv，按an協xie議yi規gui範fan
，這zhe樣yang的de頻pin率lv跳tiao轉zhuan每mei秒miao鍾zhong會hui發fa生sheng1600次ci，因yin此ci不bu太tai可ke能neng出chu現xian兩liang個ge發fa射she器qi使shi用yong相xiang同tong頻pin率lv的de情qing況kuang，即ji使shi在zai特te定ding頻pin率lv下xia有you任ren何he幹gan擾rao，其qi持chi續xu時shi間jian也ye僅jin不bu到dao千qian分fen之zhi一yi秒miao，因yin此ci該gai技ji術shu同tong時shi還hai將jiang外wai界jie幹gan擾rao對dui藍lan牙ya設she備bei間jian通tong訊xun的de影ying響xiang降jiang低di到dao最zui小xiao。

讓(rang)我(wo)們(men)設(she)想(xiang)一(yi)下(xia)兩(liang)個(ge)藍(lan)牙(ya)設(she)備(bei)間(jian)通(tong)訊(xun)的(de)過(guo)程(cheng)

，當(dang)兩(liang)個(ge)藍(lan)牙(ya)設(she)備(bei)互(hu)相(xiang)靠(kao)近(jin)時(shi)
，它(ta)們(men)之(zhi)間(jian)會(hui)發(fa)生(sheng)電(dian)子(zi)會(hui)話(hua)以(yi)交(jiao)流(liu)需(xu)求(qiu)，這(zhe)一(yi)會(hui)話(hua)過(guo)程(cheng)無(wu)需(xu)用(yong)戶(hu)參(can)與(yu)

，而(er)一(yi)旦(dan)需(xu)求(qiu)確(que)認(ren)，設(she)備(bei)間(jian)便(bian)會(hui)自(zi)動(dong)確(que)認(ren)地(di)址(zhi)並(bing)組(zu)成(cheng)一(yi)個(ge)被(bei)稱(cheng)為(wei)微(wei)微(wei)網(wang)（Piconet）deweixingwangluo，ciwangluoyidanxingcheng，zuchengwangluodeshebeibiankexieshanghaohexiedisuijitiaopin
，yiquebaobicijiandelianxi，danyoubuhuiduiqitaxinhaogouchengganrao
，yushilanya—雜技演員手裏的一個鋼球就這樣形成了。
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藍牙的協議組成 藍牙標準從製定之初便定義成為個人區域內的無線通信製定的協議

，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。


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(wei)於(yu)上(shang)述(shu)控(kong)製(zhi)器(qi)中(zhong)的(de)鏈(lian)路(lu)層(ceng)
，適(shi)用(yong)於(yu)網(wang)絡(luo)連(lian)接(jie)傳(chuan)感(gan)器(qi)，並(bing)確(que)保(bao)在(zai)無(wu)線(xian)傳(chuan)輸(shu)中(zhong)，都(dou)能(neng)通(tong)過(guo)低(di)功(gong)耗(hao)藍(lan)牙(ya)傳(chuan)輸(shu)。在(zai)雙(shuang)模(mo)式(shi)應(ying)用(yong)中(zhong)
，藍(lan)牙(ya)低(di)功(gong)耗(hao)的(de)功(gong)能(neng)會(hui)整(zheng)合(he)至(zhi)現(xian)有(you)的(de)傳(chuan)統(tong)藍(lan)牙(ya)控(kong)製(zhi)器(qi)中(zhong)，共(gong)享(xiang)傳(chuan)統(tong)藍(lan)牙(ya)技(ji) 術已有的射頻和功能
，相較於傳統的藍牙技術
，增加的成本更小；除此之外
，製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。


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麵。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係

，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，這兩個協議規範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，主機長時間處於超低的負載循環（DutyCycle）狀態

，隻在需要運作 時由控製器來啟動
，因主機較控製器消耗更多的能源，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
，也沒有處於鎖定狀況
第三步：發送IP地址
第四步：收到並解讀待配對設備發送過來的數據
第五步：建立並保存連接

anzhaochuantongdelanyaxieyideguifan，ruomouyilanyashebeizhengzaijinxingguangbo
，zetabuhuixiangyingdangqianzhengzaijinxingdeshebeisaomiao
，erdigonghaolanyaxieyiguifanyunxuzhengzaijinxingguangbodeshebeilianjiedaozhengzai 掃描的設備上
，這就有效避免了重複掃描
，而通過對連接機製的改善，低功耗藍牙下的設備連接建立過程已可控製在3ms內完成，同時能以應用程序迅速啟動鏈接 器，並以數毫秒的傳輸速度完成經認可的數據傳遞後並立即關閉連結，而傳統藍牙協議下即使隻是建立鏈路層連接都需要花費100ms，建立L2CAP（邏輯鏈 路控製與適應協議）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di址zhi，能neng夠gou讓rang數shu十shi億yi個ge設she備bei能neng被bei同tong時shi連lian接jie。此ci技ji術shu不bu但dan將jiang傳chuan統tong藍lan牙ya一yi對dui一yi的de連lian結jie優you化hua

，同tong時shi也ye利li用yong星xing狀zhuang拓tuo撲pu來lai完wan成cheng一yi對dui多duo點dian的de連lian結jie。在zai連lian接jie和he斷duan線xian切qie換huan迅xun速su的de應ying用yong場chang jingxia，shujunenggouzaiwangzhuangtuopuzhijianyidong
，danbuzhiyuweileweichiciwangluoerxiandeguoyufuza，zheyeyouxiaojianqinglelianjiefuzaxing，jianshaolelianjiejianlishijian。jiangdifengzhigonglv 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，並使用了隨機射頻參數和增加了GSFK調製索引，這些措施最大限度 地減少了數據收發的複雜性

；此外低功耗藍牙還通過增加調變指數，並采用24位的CRC（循環冗餘檢查）確保封包在受幹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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