藍牙5低功耗特性及在物聯(lián)網(wǎng)中的應用分析

鄭士基

摘 要：藍牙是一種短距離無線通信技術(shù)，由于其低成本、低功耗和體積小等優(yōu)點，已被廣泛應用于物聯(lián)網(wǎng)、智能穿戴設備、無線傳感網(wǎng)絡等各方面。文章對藍牙5的特性進行了分析，并研究了其在物聯(lián)網(wǎng)中的應用場景。

關(guān)鍵詞：藍牙5；低功耗；物聯(lián)網(wǎng)

1 藍牙的發(fā)展

藍牙（Bluetooth）是在全球范圍內(nèi)使用最廣泛、最受歡迎的短距離無線通信技術(shù)之一，自1998年藍牙技術(shù)標準被制定以來，藍牙在全球范圍內(nèi)的應用得到了飛速的發(fā)展。藍牙設計的初衷是用無線連接代替有線電纜，其目標和宗旨是：保持聯(lián)系，無需電纜和插頭，并以此重塑人們的生活方式，實現(xiàn)方便快捷、靈活安全、低成本、小功耗的話音和數(shù)據(jù)通信。

藍牙1是藍牙最早期的版本，傳輸速率約在748～810 kbps，因是早期設計，容易受到同頻率的產(chǎn)品干擾而影響通信質(zhì)量。2004年藍牙2的提出，改善了藍牙裝置的配對流程，在短距離配對方面，具備了在兩個支持藍牙的手機設備之間互相進行配對與通信傳輸，具備更佳的節(jié)能效果。藍牙3則采用全新的交替射頻技術(shù)，允許藍牙協(xié)議棧針對任一任務動態(tài)地選擇正確的射頻，傳輸速率也更高，功耗更低。2010年藍牙4的提出，則包括了3個子規(guī)范，即傳統(tǒng)藍牙技術(shù)、高速藍牙和新的藍牙低功耗技術(shù)，藍牙4的改進之處主要體現(xiàn)在3個方面：電池續(xù)航時間、節(jié)能和設備的種類，最大的有效傳輸距離也達到了100 m。

2 藍牙5的提出

2016年12月8日，在藍牙技術(shù)標準被制定的10多年后，藍牙技術(shù)聯(lián)盟（Special Interest Group，SIG）推出了新的藍牙核心規(guī)范版本—藍牙5，而這也是2016年物聯(lián)網(wǎng)的大事件之一，為物聯(lián)網(wǎng)設備的低功耗無線連接提供了一個可行、高效的解決方案，從而也進一步推動了物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。由于藍牙5針對物聯(lián)網(wǎng)進行了底層的優(yōu)化，這也使得藍牙必然會成為物聯(lián)網(wǎng)無線連接解決方案中強有力的競爭者。

根據(jù)調(diào)研機構(gòu)ABI Research分析，2015年全球藍牙設備出貨量為28億臺，預計到2020年，全球藍牙設備出貨量將達到65億臺，其中智能手機是藍牙出貨量最大的市場，約占整個藍牙出貨量的45%。另據(jù) IndustryARC 2016年3月的預測，藍牙5設備的出貨量將會以復合年均增長率29%的速度增長，預計到2020年，藍牙5設備的出貨量將會達到84億元，如圖1所示。

3 藍牙5特性分析

藍牙5除了具有藍牙技術(shù)的傳統(tǒng)特性，如無線頻段選擇和抗干擾、多址接入體系和調(diào)制方式、媒體接入控制、糾錯等，還具有以下全新的特性。

圖1 藍牙5設備出貨量預計

3.1 2倍傳輸速度

藍牙5將藍牙低功耗設備的傳輸速率從原來的1 Mbps提升到2 Mbps，大大縮短了數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r間。藍牙5采用GFSK的調(diào)制方式，調(diào)制指數(shù)范圍為0.45～0.55，接近于調(diào)制指數(shù)為0.5的GMSK，相比于傳統(tǒng)藍牙技術(shù)的調(diào)制指數(shù)范圍0.28～0.35，利用GFSK的調(diào)制方式更有利于降低功耗和有效提高藍牙信號抗干擾的能力。

3.2 8倍廣播容量

相比于藍牙4，藍牙5使用的廣播信道由原來的3個增加到40個，每個信道帶寬均為2 MHz，分為廣播信道和數(shù)據(jù)信道。其中3個廣播信道分散在ISM頻段的不同區(qū)域，這樣的設計有利于避免因其他設備（如WiFi等）干擾而造成無法廣播的問題，同時也簡化了跳頻算法的實現(xiàn)。

3.3 10倍輸出功率

藍牙4版本中輸出功率的范圍是-20～+10 dBm，而藍牙5則將輸出功率的范圍提高為-20～+20 dBm。藍牙5的最大輸出功率相對于之前的版本來說，實現(xiàn)了10倍的提高，這樣的改變?yōu)樗{牙信號更大的覆蓋范圍提供了在輸出功率上的保障。另外，藍牙5同樣具備輸出功率控制特性，以優(yōu)化產(chǎn)品的功率損耗，并減少對其他設備的干擾。

3.4 4倍傳輸距離

藍牙5通過調(diào)整傳輸功率使傳輸距離達到了300 m，有效解決了之前藍牙信號覆蓋能力有限的問題。藍牙5通過全新的編碼方案，增加了可選的1/2編碼和1/8編碼兩種編碼方式。在1/2編碼方式下，能夠?qū)崿F(xiàn)提高約5 dB的接收靈敏度，以及在500 kbps速率下約2倍的傳輸距離；在1/8編碼方式下，能夠提高約12 dB的接收靈敏度，以及在125 kbps速率下約4 dB的傳輸距離。相比于藍牙4，藍牙5傳輸?shù)木嚯x得到了大范圍的提高。

3.5 更好的兼容能力

藍牙5引人時隙可用性掩碼（Slot Availability Mask，SAM）技術(shù)，通過該技術(shù)可以檢測藍牙信道的可用時隙，并防止相鄰信道間的相互干擾。SAM旨在檢測和防止2.4 GHz ISM頻段和相鄰LTE頻段間的沖突問題，以提供更有效的藍牙通信解決方案。

3.6 更高的室內(nèi)定位精度

藍牙用在室內(nèi)定位已發(fā)展了一段時間，但在過去并未受到足夠的重視，藍牙5的其中一個重要特性就是提高了藍牙室內(nèi)定位的精確度，結(jié)合WiFi技術(shù)，可以實現(xiàn)精度達到1 m的定位，從而有效擴展了藍牙的應用價值。

4 常見的物聯(lián)網(wǎng)無線通信方式

4.1 ZigBee

ZigBee是基于IEEE802.15.4標準的低功耗局域網(wǎng)協(xié)議，它是一種短距離、低功耗的無線通信技術(shù)，具有近距離、低復雜度、自組織、低功耗、低數(shù)據(jù)速率等特點。ZigBee協(xié)議從下到上分別為物理層、媒體訪問控制層、傳輸層、網(wǎng)絡層和應用層。ZigBee可以工作在2.4 GHz，868 MHz和915 MHz 3個頻段上，具有最高250 kbps的傳輸速率，傳輸距離在幾十米范圍內(nèi)。ZigBee的節(jié)點非常省電，電池工作時間可以長達2年。

4.2 WiFi

IEEE 802.11標準的無線局域網(wǎng)，可以作為有線局域網(wǎng)的無線延伸，通常使用2.4 G UHF或5 G SHF ISM 射頻頻段，具有傳輸速度快、組網(wǎng)靈活、成本較低等特點。

4.3 3G/4G

移動通信技術(shù)，其中4G能夠快速、高質(zhì)量地傳輸數(shù)據(jù)、圖像、音頻和視頻，下行速度達到100 Mbps以上，極大地滿足了用戶對寬帶移動通信的要求。4G移動系統(tǒng)可分為3層：物理網(wǎng)絡層、中間層和應用網(wǎng)絡層。

4.4 NB-IoT

NB-IoT是低功耗廣域網(wǎng)（Low-Power Wide-Area Network，LPWAN）的一種，具有深覆蓋、低功耗、大連接、低功耗等特點。但NB-IoT法滿足了對移動性及速率的要求，以及對數(shù)據(jù)量、效率的業(yè)務需求。

5 藍牙5在物聯(lián)網(wǎng)中的應用

物聯(lián)網(wǎng)將物與物連接起來，是萬物互聯(lián)的重要網(wǎng)絡。物聯(lián)網(wǎng)以互聯(lián)網(wǎng)為基礎，也可以看作是互聯(lián)網(wǎng)功能的延伸和拓展。以物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能為代表的現(xiàn)代通信技術(shù)正引發(fā)新一輪產(chǎn)業(yè)革命，催生出更具創(chuàng)新力的新產(chǎn)品，激發(fā)出全新的商業(yè)模式，逐步成為推動經(jīng)濟轉(zhuǎn)型升級的重要引擎，加速推動人類步入智能化時代。據(jù)2017年“世界物聯(lián)網(wǎng)博覽會”官方發(fā)布信息，我國已部署的機器到機器（Machine to Machine，M2M）終端數(shù)量突破1億，物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)規(guī)模已從2009年的1 700億元躍升至2016年的9 300多億元，年復合增長率超過25%。預計到2020年，我國物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)規(guī)模將超過1.5萬億元，物聯(lián)網(wǎng)已成為能夠推動生產(chǎn)力飛躍的重要技術(shù)之一。

藍牙5中引入的新特性使得藍牙在日新月異的智能家庭、醫(yī)療、可穿戴設備、汽車、信標、定位和其他許多物聯(lián)網(wǎng)應用中的使用日益增長。

在智能家居的應用中，藍牙5不但會減少與其他無線通信技術(shù)的潛在干擾，更好地與終端設備進行連接，還能進行簡單、安全和可靠的設備連接和互動，增強連接設備的響應速度和覆蓋范圍，從而極大地提高用戶的使用體驗。

在智能建筑的應用中，藍牙5更大的覆蓋范圍和更高的輸出功率，實現(xiàn)了對整棟樓宇建筑的信號覆蓋[2]，通過對編碼方案和輸出功率的合理選擇和優(yōu)化，加上Mesh組網(wǎng)的能力（Mesh是一種新型的無線網(wǎng)絡架構(gòu)，網(wǎng)絡中的每個節(jié)點都可以一對一和一對多的連接[3]，是一種可以不斷擴展的網(wǎng)絡），為實現(xiàn)樓宇建筑的智能化提供了最基礎的通信保障。

在智能工業(yè)的應用中，對于通信的功耗和組網(wǎng)能力要求是比較高的，而設備之間的數(shù)據(jù)傳輸頻率和數(shù)據(jù)傳輸量卻比較少，因此藍牙5低功耗的特性及Mesh組網(wǎng)的能力能夠很好地滿足智能工業(yè)組網(wǎng)的需求。

6 結(jié)語

藍牙5及其低功耗、廣覆蓋、大容量等特性能夠?qū)崿F(xiàn)極低的待機與運行功耗，藍牙設備使用一粒紐扣大小的電池就可以連續(xù)運行數(shù)年，這對于日益普及的物聯(lián)網(wǎng)、智能穿戴設備來說，能夠在最大限度上滿足設備對長時間運行、無人工干預、網(wǎng)絡傳輸穩(wěn)定的要求。在可以預見的將來，藍牙5必將會擁有龐大的市場和更廣泛的應用。

[參考文獻]

[1]海登.低功耗藍牙開發(fā)權(quán)威指南[M].陳燦峰，譯.北京：機械工業(yè)出版社，2014.

[2]黎卓芳.藍牙技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)中的應用研究[J].現(xiàn)代電信科技，2012（12）：61-66.

[3]朱剛，談振輝，周賢偉.藍牙技術(shù)原理與協(xié)議[M].北京：北方交通大學出版社，2002.