一种新兴的蓝牙技术——超低功耗蓝牙技术-学兔兔

　　部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片，仅作为作品整体效果示例展示，禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。

　　一种新兴的蓝牙技术超低功耗蓝牙技术 学兔兔 一种 新兴 蓝牙技术 功耗

　　。M 瓣黝舢懈耻洲唧删 一种新兴的蓝牙技术 超低功耗蓝牙技术 罗玮重庆邮电大学通信与信息工程学院研究生 摘要：文章介绍了一种功耗比标准蓝牙更低的超 低功耗蓝牙技术，描述了这种技术的由来、协议 栈构成、拓扑结构、R a d i o 层的工作状态和工作角 色以及特点。在技术特点部分中，详细介绍了超 低功耗蓝矛技术实现低功耗的原理，并且给出了 它与标准蓝牙技术的参数相对比的表格。 关键词：超低功耗，蓝牙。跳频，低能耗 A b s t r a c t ：T h i sa r t i c l ei n t r o d u c e sat e c h n o l o g yo f U l t r aI X ) WP o w e rB l u e t o o t hw h o s ep o w e ri Bl o w e r t h a nt h es t a n d a r dB l u e t o o t h I t d e s e r i b e s r e s p e c t i v e l yt h eo r i g i n ，s t r u c t u r eo fp r o t o c o l s t a c k a n dt o p o l o g y ，o p e r a t i n gs t a t e sa n dr o l e so fR a d i o l a y e r ，c h a r a c t e r i s t i c so ft h et e c h n o l o g y I nt h ep a r t o fc h a r a c t e r i s t i c so ft h et e c h n o l o g y ，t h er e a s o nw h y U l t r aL o wP o w e rB l u e t o o t ht e c h n o l o g yc a nr e a l i z e u l t r al o wp o w e ri 8d e t a i l e d ，a n dat a b l et h a t c o n t a i n s8 0 m ep a r a m e t e r so fU l t r aL o wP o w e r B l u e t o o t hc o m p a r e dw i t ht h es t a n d a r dB l u e t o o t h t e c h n o l o g yi sa l s os h o w e d K e yW o r d s ：u l t r al o wp o w e r , B l u e t o o t h ，f r e q u e n c y h o p p i n g ，l o we n e r g yc o n s u m p t i o n 自从1 9 9 8 年蓝牙技术标准被制定以来，作为一种短 距离的无线通信技术，蓝牙技术在全球范围内得到了迅猛 的发展。虽然蓝牙技术的功耗已经很小，但是随着该技术 被进一步应用在更多的新兴领域，例如在无线传感器网络 的应用中，其功耗仍然不能满足人们的需求。如何进一步 降低其功耗逐渐成为了蓝牙技术向前发展的一个亟待解 决的问题。 针对这个问题，本文介绍了一种基于蓝牙的新的无线 网络通信技术超低功耗蓝牙( U l t r aL o wP o w e rB l u e t o o t h ) 技术D U L P 蓝牙技术的由来 针对蓝牙技术的功耗在新型的应用领域方面的不足， 早在2 0 0 1 年，诺基亚就开始研究一种被称之为W i b r e e 的 短距无线 月正式推出了该项技术。 W i b r e e 使用与蓝牙相同的频带和硬件，但是发送功率较 低，进行无线 日，以诺 基亚公司为首，合作方包括卡西欧、C S R 、爱普生、N o r d i c 、 意法和德州仪器等公司倡导的W i b r e e 低功耗无线技术协 议被蓝牙联盟接纳后，将它集成到了现有的蓝牙规格当 中，并将其名称改为U L P 蓝牙，现在又被称为低能耗蓝牙 型堕堡堡! 鱼旦曼盟只釜皇竺翌苎 万方数据 r 技术专题一 e a t r u o s ( B l u e t o o t hL o wE n e r g y ) 。 2U L P 蓝牙系统的协议栈 如图l 所示，U L P 蓝牙系统完整的协议栈自上 而下由应用层、H o s t 层、H C I 层( H o s tC o n t r o l l e rI n t e r f a c e ) 和R a d i o 层所组成的。其中，R a d i o 层又被分 为了链路层和物理层。 应用层 H o s t 层 H C I 层 链路层 R a d i o 层 物理层 图1U L P 蓝牙系统协议栈的组成 应用层定义了各种类型的应用业务，是协议栈 的最上层。 H o s t 层定义了各种数据包的格式和一些协议 的规范以及U L P 蓝牙系统所采用的安全模式。 H C I 层的作用就是对H o s t 层和R a d i o 层进行 连接。它提供了一个能够对U L P 蓝牙系统的R a d i o 层的功能进行访问的统一的接口。 链路层的功能是执行一些基带协议和其他一 些低级的链路程序。U L P 蓝牙系统使用了频分多址 ( F D M A ) 和时分多址( T D M A ) 技术。在F D M A 方案 中，U L P 蓝牙系统的4 0 个物理信道被分成了广播信 道和数据信道。基于轮询方案的T D M A 被使用在了 链路层中。 物理层采用跳频( f r e q u e n c yh o p p i n g ) 技术来减 少干扰和信号的衰减。U L P 蓝牙系统工作于2 4 G H z , 标准蓝牙和Z i g B e e 都使用这个频率，该频率属 于工业、科学及医疗设备( I S M ：I n d u s t r i a lS c i e n t i f i c M e d i c a l ) 频段，无须经过当局许可便可使用。U L P 蓝 牙系统使用的中心频率为24 0 2 + kX2M H z ，其中k 为0 3 9 之间的任意整数，因此，U L P 蓝牙系统共有 4 0 个通信信道。在两个工作频带之间还存在着防护 频带，带宽比较低的防护频带为2M H z ，带宽比较高 的防护频带为3 5M H z 。【1 1 o b e r2 0 1 0 3U L P 蓝牙系统的拓扑结构 如图2 所示，U L P 蓝牙系统是建立在星形拓扑 结构之上的。一个中央设备可以决定一个或多个外 围设备的运行安排。中央设备被称作主设备，它可以 和多个外围设备进行通信。外围设备被称作从设备， 它只能和一个主设备进行数据包的交换。数据包是 在链路层的连接中被交换的。一个从设备一次只能 有一个链路层的连接。因此，一个链路层的连接只能 包含一个主设备和一个从设备。 &p o 0 O 图2U L P 蓝牙系统的拓扑结构 在标准蓝牙中，一个主设备可以和7 1 67 7 7 1 8 4 个从设备进行通信。而在U L P 蓝牙中是没有这 个限制的，即一个主设备可以和无数个从设备进行 通信。因此，U L P 蓝牙网络被限制为只有一个主设 备与一个或多个从设备的网络。【l ，2 1 4U L P 蓝牙系统R a d i o 层的状态 和角色 如表l 所示，U L P 蓝牙系统R a d i o 层有两种不 同的工作状态：空闲状态和连接状态。 表1U L P 蓝牙系统R a d i o 层的工作状态 状态状态描述 R a d i o 层与其它R a d i o 层没有任何链路层的 空闶状态 连接 R a d i o 层与其它R a d i o 层至少存在一个链路 连接状态 层的连接 如表2 所示，U L P 蓝牙系统R a d i o 层有五种不 同的工作角色：广播者角色、扫描者角色、发起者角 万方数据 色、主角色和从角色。 一M 然N 删0 F 础0 M M u N 嗍o N s 表2U L P 蓝牙系统R a d i o 层的工作角色 角色角色描述 广播者角色R a d i o 层在广播信道中周期性的发送广播帧。 R a d i o 层在一定的范围内搜寻其它R a d i o 层发送的 扫描者角色 广播帧。 R a d i o 层向另一个执行广播者角色的R a d i o 层请求 发起者角色 一个链路层的连接。 R a d i o 层决定链路层的操作安排。执行主角色的 主角色 R a d i o 层一次可以有多个链路层的连接。 只有当R a d i o 层接收到其它执行主角色的R a d i o 层所发送过来的数据包后，它才能开始发送数据 从角色 包。执行从角色的R a d i o 层一次只能有一个链路层 的连接。 当R a d i o 层执行完发起者的角色后，进入主角 色；当R a d i o 层执行完广播者的角色后，则进入从角 色。但是，R a d i o 层不能同时执行广播者角色和扫描 者角色，也不能同时执行主角色和从角色。R a d i o 层 的工作角色的联合如表3 所示。 表3R a d i o 层的工作角色的联合 以及在移动到下一个频率之前，它还会对当前的频 率进行检查以判断此频率是否可用。这段时间将会 超过2 2m s P l o 而对于采用了U L P 蓝牙技术的设备来说，当它 想要处于可连接状态或者可发现状态时，它只需要 发送3 个短的数据包，之后，它立即开始监听，以判 断是否有其他设备想要和它开始会话。这种会话可 以是一种扫描请求，例如在设备发现阶段，为了显示 而清求更多的关于用户接口的信息；它还可以是一 种连接请求，这种请求被用来在两个设备之间发起 一个连接。这3 个数据包占据的时间以及为了获得 回应而进行监听所消耗的时间一共只有1 4r a s P 。 由此可以看出，采用U L P 蓝牙技术的设备的效 率比采用标准蓝牙设备的效率高了1 7 倍之多。 ( 2 ) 一个设备从醒来，建立连接，发送应用数据， 到断开连接，总共占用的时间对它的电池的寿命有 很大的影响。占用的时间越短，所消耗的能量也就越 低，电池的使用寿命也就越长。采用了U L P 蓝牙技 术的无线 I 的时间就可以完成 上述过程，从而大大延长了其电池的使用寿命。 广播者角色扫描者角色发起者角色主角色从角色 广播者角色N ON OY E SY E S 扫描者角色N ON OY E SN O 发起者角色 N ON OY E S N O 主角色 Y E SY E SY E SN O 从角色Y E SN ON ON O 5U L P 蓝牙技术的特点 5 1 功耗低 ( 1 ) 对于采用了标准蓝牙技术的设备来说，当它 想要处于可连接状态或者可发现状态时，它必须使 自己的R a d i o 层在一段时间内保持激活状态。因为 在这段时间内，其他的设备有可能会向它发送数据 包。它在这段时间内会扫描超过3 2 个不同的频率， ( 3 ) 在标准蓝牙技术中，包的开销 为2 1 0 恤s ( 这个数值指的是D M I 包的 开销，这个包包含了l 一4 个字节的 L 2 C A P 包头) ，而在U L P 蓝牙技术中，包 的开销为1 1 2 “s ( 这个数值指的是一个 数据包的开销，这个数据包有4 个字节 的L 2 C A P 包头) 。这就意味着，当发送相 同的信息的时候，U L P 蓝牙技术的包的 大小只有标准蓝牙技术的包的一半。因 此，与标准蓝牙技术相比，U L P 蓝牙技术可以使用更 少的能量去传送相同数量的应用数据。翻 ( 4 ) U L P 蓝牙技术采用了具有S S R ( S n i f f S u b r a t i n g ) 功能的搜索模式

　　文档分享网所有资源均是用户自行上传分享，仅供网友学习交流，未经上传用户书面授权，请勿作他用。pg官方网站 电子