无线接口系列之“蓝牙简介”

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本文主要介绍蓝牙的发展历史,相关技术等。

蓝牙(Bluetooth)技术最初于1994年由爱立信公司提出,当时是作为RS232的替代方案。作为有线传输的无线替代方案,其理念是使用无线电传输(亦即无线传输)来交换数据。蓝牙这个名字来自十世纪的一名丹麦国王(Harald Blatand),英文名为哈拉尔·蓝牙(Harold Bluetooth)。哈拉尔被称为蓝牙王是因为Blatand翻译成英语是Bluetooth。据说,蓝牙王统一了四分五裂的交战派,亦即现在的挪威、瑞典和丹麦。同样地,蓝牙技术的诞生成为一种开放式标准,让离散的产品和行业可以建立联系和协同工作。

从1998年Ericsson、IBM、Intel、Nokia和Toshiba公司共同提出开发的V0.7版本到后来正式发布的Bluetooth V1.0,到最新的Bluetooth V5.1,经历了十几个版本的修订后,发展为当前的状况。

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  • EDR:全称为Enhanced Data Rate。通过提高多任务处理和多种蓝牙设备同时运行的能力,EDR使得蓝牙设备的传输速度可达3Mbps。

  • AMP:Alternate MAC and PHY layer extension。

  • HS:全称为High Speed。HS使得Bluetooth能利用WiFi作为传输方式进行数据传输,其支持的传输速度最高可达24Mbps。其核心是在802.11的基础上,通过集成802.11协议适配层,使得蓝牙协议栈可以根据任务和设备的不同,选择正确的射频。

  • BLE:全称为Bluetooth Low Energy。蓝牙规范4.0最重要的一个特性就是低功耗。BLE使得蓝牙设备可通过一粒纽扣电池供电就可持续工作数年之久。很明显,BLE使得蓝牙设备在钟表、远程控制、医疗保健及运动感应器等市场具有极光明的应用场景。

蓝牙协议包括两种技术:Basic Rate(简称BR)和Low Energy(简称LE)。这两种技术,都包括搜索(discovery)管理、连接(connection)管理等机制,但它们是不能互通的!厂商要么实现这两种技术中的一种,这时就只能和同样实现了这个技术的设备互通,而不能和实现另外一种技术的设备互通。如果厂商要确保能和所有的蓝牙设备互通,那么就只能同时实现两种技术,而不去管是否真的需要。

下面就针对这两种技术进行简单介绍。

Basic Rate是真正的蓝牙技术,可以包括可选(optional)的EDR(Enhanced DataRate)技术,以及交替(Alternate)使用的MAC(Media Access Control)层和PHY层扩展(简称AMP)。

蓝牙诞生之初,使用的是BR技术,此时蓝牙的理论传输速率,只能达到721.2Kbps。在那个年代,56Kbps的Modem就是高大上了,这个速度可以说是惊为天人了啊!但是科技变化太快了,BR技术转眼就过时了。那怎么办呢?缝缝补补一下,增强速度呗,Enhanced Data Rate就出现了。

使用EDR技术的蓝牙,理论速率可以达到2.1Mbps。这一次的升级换代,还算优雅,因为没有改变任何的硬件架构、软件架构和使用方式上的改变。

EDR又落伍了,看看人家WIFI(WLAN),几十Mbps,上百Mbps,咱们才2.1Mbps,也太寒酸了吧!那怎么办呢?蓝牙组织想了个坏主意:哎,WIFI!把你的物理层和MAC层借我用用呗!这就是AMP(Alternate MAC and PHY layerextension)。艾玛,终于松口气了,我们可以达到24Mbps了。

不过呢,由于蓝牙自身的物理层和AMP技术差异太明显了,这次扩展只能是交替使用(Alternate)的,也就是说,有我(BR/EDR)没你(AMP)。

optional和alternate意味着,BR和EDR是可以同时存在的,但BR/EDR和AMP只能二选一。

上面的BR技术的进化路线,就是传输速率的加快、加快、再加快。但能量是守恒的,你想传的更快,代价就是消耗更多的能量。而有很多的应用场景,并不关心传输速率,反而非常关心功耗。这就是Bluetooth LE(BLE,Low Energy称作蓝牙低功耗)产生的背景。

LE技术相比BR技术,差异非常大,或者说就是两种不同的技术,凑巧都加一个“蓝牙”的前缀而已。

  • BR/EDR技术,过于侧重“点对点”通信,以至于虽然在协议的底层(如Logical Link)有提及多播(Unidirectional)和广播(Broadcast)的概念,但在上层的应用场景中,几乎不存在(也不可能存在)相应的应用。

  • 但随着物联网的发展,业界对简单的、不需要连接的多播或广播通信的需求越来越迫切,因此BLE技术在RF和Baseband的协议中,就做出了修改,以适应这种需求,即:修改原有的79个channel的跳频方式,将channel的个数减少为40个,并保留了不少于3个的固定channel,用于广播通信。在剩下的37个data channel上跳频。

  • 正因为这种改变,原有的搜索/连接/配对等概念,在BLE上就不再存在了,取而代之的是Advertisor、Initialor等概念。但在之后的数据通信的层次上,尽量保持了一致。

  • 对于AMP来说,是基于BR/EDR的controller,在完成通常的点对点连接之后,两个蓝牙设备商议,是否需要将后续的数据通信,转移至AMP controller上。这就是Bluetooth 3.0引入的AMP技术。

以上就是针对蓝牙技术的出现、发展历程、相关技术的简单介绍。

来源: 硬件助手

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