低功耗蓝牙(BLE)如何做到LE ?

蓝牙,作为一种短距离无线通信方式,在我们的生活中并不陌生。不仅有蓝牙耳机,蓝牙音箱,蓝牙灯光,蓝牙遥控器,这些人们熟知的蓝牙产品,还有一些,例如iBeacon, 智能手环,蓝牙定位,蓝牙组网等你感到陌生的蓝牙产品或技术。总之,相比过去几十年,蓝牙的应用更加广泛,也慢慢融入了我们生活的每个场景之中。直至现在最新的蓝牙5.2 。

蓝牙4.2

从蓝牙4.0开始,蓝牙技术有了质的飞跃,最主要的来说就是传输距离的提升和功耗的降低。Ble传输距离50~100米。功耗更是达到了uA级别。这也导致了它应用场景的变化,它不在适用于大量的数据传输,而是更广泛应用于实时性和低功耗要求的设备,如传感器,智能手环,酒店锁等;
蓝牙4.0有以下优点:
1 速度:支持1Mbps数据传输率下的超短数据包,最少8个八组位,最多27个。所有连接都使用蓝牙2.1加入的减速呼吸模式(sniff subrating)来达到超低工作循环。
2 跳频:使用所有蓝牙规范版本通用的自适应跳频,最大程度地减少和其他2.4GHz ISM频段无线技术的串扰。
3 主控制:更加智能,可以休眠更长时间,只在需要执行动作的时候才唤醒。
4 延迟:最短可在3毫秒内完成连接设置并开始传输数据。
5 范围:提高调制指数,最大范围可超过100米。
6 健壮性:所有数据包都使用24-bitCRC校验,确保最大程度抵御干扰。
7 安全:使用AES-128 CCM加密算法进行数据包加密和认证。
8 低功耗:待机时间和通话时都很低。

蓝牙5.0

蓝牙5.0是在蓝牙 4.2 基础上进化而来,那么与蓝牙 4.2 相比,它有什么特点了?
蓝牙 5.0 的特色是它能在现有(蓝牙 4.2)的省电模式下,提供超过 4 倍的通讯范围(300 米)和 2 倍的传输速度(2Mbps),8 倍的数据量;蓝牙 5.0 在低功耗方面的表现依旧有着无可匹敌的特性。物联网设备(比如传感器和可穿戴设备)体积一个比一个小,所能容纳的电池容量更是有限。因此,能做到超迷你级别的蓝牙芯片(接收器),而且能比 Wi-Fi 节省 25%到一倍电力的蓝牙 5.0,自然更受小型物联网设备青睐了。而且能快速启动,瞬间连接,而且成本更低。
蓝牙的主要功耗
低功耗蓝牙(BLE)如何做到LE ?
蓝牙的主要功耗产生就是广播时射频开启的时间内。尖刺的波就是连接事件(Connection events),剩下的Sleeping是睡眠时间,设备在建立连接之后的大多数时间都是处于Sleeping,这种情况下耗电量比较低,而在连接事件(Connection events)中,耗电量就相对高很多,这也是BLE为什么省电的原因之一。

如何实现低功耗?

1 更短的广播时间
BLE有40个信道,其中只有37,38,39这三个广播信道,也叫作主广播信道。主广播信道最大广播字节31个。其余37个是数据信道也叫作次广播信道,当广播发送大数据包时,就要通过次广播信道,发送长度介于 0-255 字节。当然,为了实现低功耗,蓝牙广播一般在3个主广播信道上各广播一次,每次广播时射频的开启时间也由传统的 22.5ms 减少到 0.6-1.2ms。而传统蓝牙的广播信道有16~32个,所以广播时间比较长。
2 更低的待机功耗
低功耗蓝牙设计了用深度睡眠状态来替换传统蓝牙的空闲状态,在深度睡眠状态下,主机(Host)长时间处于超低的负载循环(Duty Cycle)状态,同时睡眠状态关闭了很多接口,只在需要运作时由控制器来启动,由于主机较控制器消耗的能源更多,因此这样的设计也节省了最多的能源,实现了深度睡眠时,电流3~5uA。

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