蓝牙4.0技术公开课PPT_第1课

—Classic Bluetooth)、ZigBee以及IEEE 802.11b标准 都是工作在2.4GHz频率的
无线通信标准，下面将传统蓝牙与ZigBee、IEEE 802.11b标准进行简要的比较： 传统蓝牙数据传输速率小于3Mbps，典型数据传输距离为2～10m，典型应用是在 两台蓝牙设备之间进行小量数据的传输。 IEEE 802.11b最高数据传输速率可达11Mbps，典型数据传输距离在30～100m， 该技术提供了一种Internet的无线接入技术，如很多笔记本电脑可以使用自带 的WiFi功能实现上网。
工作组，负责撰写低功耗技术的具体规范。
2010年，Wibree终于并入了新版的蓝牙规范，蓝牙4.0规范制定的工作结束。同 年，芯片厂商纷纷宣布双模或单模低功耗蓝牙芯片推向市场。CSR推出了 BlueCore 7 多功能无线低功耗蓝牙产品和解决方案。Broadcom的最新一代蓝牙 芯片——InConcert BCM2049 符合新的规范，并整合了蓝牙、FM收音机和其他的 音乐功能。
0.5～4s，传感器类应用程序发送的数据量较平常要少很多，而且所有连接均采用
先进的SSR(Sniff Sub-Rating)功能模式，因此此时的射频能耗几乎可以忽略不计， 综合以上因素，低功耗蓝牙的待机功耗较传统蓝牙大大减少。
c.传输距离、可靠性和安全性的提高
传统蓝牙技传输距离为2-10m，而低功耗蓝牙的有效传输距离可达到60-100m，传输
MANET
UWB ZigBee NFC
1970
2002.4 2001.8 2004.4
10~100
10 100 0.2
1
100~200 0.25 0.424
注：802.11/802.11b/802.11a/802.11g是WiFi演化过程中的不同版本，以802.11b的应用最广！
在短距离无线通信中，传统蓝牙(蓝牙4.0之前的所有蓝牙统称为传统蓝牙—
提示！
支持低功耗蓝牙的操作系统： iOS 5 +
Windows Phone 8 +(但是没有公布API)
Android 4.3 + BlackBerry 10 +
注：现在市面上大部分新出的Andriod手机硬件上实际是有低功耗蓝牙，但是由于开 发商发布的Android系统没有到4.3版本，所以依然不能使用BLE的应用。其中三星 GALAXY Note 3、 GALAXY S5以及Google Nexus 7支持Android 4.3+操作系统。
ZigBee协议可以理解为一种短距离无线传感器网络语控制协议，传输速率低，
主要用于传输控制信息，数据量相对来说比较小，适用于电池供电的系统。此 外相对于上述两种标准，ZigBee协议实现成本较低。
表2. 传统蓝牙、ZigBee及802.11b标准对比 数据传输协议 传统蓝牙 数据速率 1-3Mbps 数据传输距离(m) 2~10 典型应用领域 无线手持设备、无线鼠标
“蓝牙”是一种开放的技术规范，它可在世界上的任何地方实现短距离的无线语 音和数据通信。 蓝牙的创始人是瑞典爱立信公司，爱立信早在1994年就已进行研发。1997年， 爱立信与其他设备生产商联系，并激发了他们对该项技术的浓厚兴趣。 1998年2月， 5个跨国大公司，包括爱立信、诺基亚、IBM、东芝及Intel组成了一个特殊兴趣小组 （Bluetooth Special Interest Group —— SIG），他们共同的目标是建立一个全
蓝牙4.0BLE课程
主讲人 朱兆祺
MT254x蓝牙4.0系列QQ群：242497460
第一章 什么是蓝牙4.0BLE？
1.无线通信网络的种类
无线体域网 无线个域网 无线局域网 无线LAN-to-LAN网桥 无线城域网 Wireless Body Area Network Wireless Personal Area Network Wireless Local Area Network Wireless LAN-to-LAN Network Bridge Wireless Metropolitan Area Network
5.低功耗蓝牙与传统蓝牙对比
a.高速连接的实现 两种蓝牙都工作在2.4GHz ISM（Industrial Scientific Medical，工业、科研及医 疗）频段，但低功耗蓝牙将频段重新划分为带宽为2MHz的40个信道(传统蓝牙为79个 信道)，仅使用其中3个作为广播信道，其余是数据信道，独立广播信道的引入加快了 设备查找和接入操作，使得低功耗蓝牙可以再最快3ms内完成连接，而传统蓝牙的连
4.低功耗蓝牙
2010年6月，蓝牙技术联盟(SIG)发布了最新的蓝牙核心规范4.0版。该规范实 质上由3部分组成——传统蓝牙（包括BR/EDR）、高速蓝牙（HS）以及新的低功耗 蓝牙（LE）技术，三者合而为一，统一在蓝牙框架之下。其中，低功耗蓝牙规范 定义了全新的物理层和链路层，但重用了传统蓝牙协议栈中的许多模块，从而简 化了协议栈的实现。 而在实际应用中，为了更好地区分单模与双模蓝牙设备，SIG还发布了
接建立过程通常需要数秒！
b.待机功耗的下降
传统蓝牙技术动辄采用16～32个频道进行广播，而低功耗蓝牙仅使用了3个广播通
道，且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，这样的改 变显然大大降低了因为广播数据导致的待机功耗； 此外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，主机长时间处于超低的负载循环(DutyCycle)状态，只在需要运作时由控制 器来启动，因主机较控制器消耗更多的能源，因此这样的设计也节省了最多的能源； 在深度睡眠状态下，协议也针对通讯模式进行了优化，数据发送间隔时间也增加到
图4. 低功耗蓝牙、传统蓝牙以及WIFI的对比
6.低功耗蓝牙与ZigBee对比
在前面我们知道ZigBee的功耗、设计复杂度和成本相对都比较低，这和低功耗蓝 牙在技术特点上有很多相似性，功耗、传输距离、传输带宽等指标都比较接近。 那么低功耗蓝牙与ZigBee必定是存在竞争，但可以确定的是二者针对的市场也并 不完全相同。
来自百度文库
随着低功耗蓝牙的迅猛发展，可穿戴技术也悄然走入大众眼前，比如无线传感器
鞋垫、健身手表、智能手环、防丢器等。同时智能手机厂商也纷纷采用了低功耗 蓝牙技术，比如苹果从iPhone4S开始全面支持低功耗蓝牙技术，Android 和 Windows8 生态系统的产品也陆续集成了低功耗蓝牙功能。 历史一定会记住诺基亚这个伟大的公司！
2004年底，诺基亚创新机构的一位高管一次偶然的机会，了解到诺基亚研究院的 这个项目，对低功耗蓝牙技术表示了强烈的兴趣，认为有商业化的可行性，计划 将其推向市场。于是诺基亚创建了一个联盟论坛Wibree，推进技术的发展并创建 蓝牙低端扩展的生态系统，一方面取得下游厂商的重视，如Polar、Epson(爱普 生)、Nordic、Semiconductor(美国国家半导体公司)和Logitech(罗技)；另一方
距离提升了十倍，极大地开拓了蓝牙技术的应用前景。 对于无线通信而言，由于电磁波在传输过程中容易受很多因素的干扰。蓝牙技术联 盟在制定蓝牙4.0规范时已经考虑到了这种数据传输过程中的内在不确定性，在射 频、基带协议、链路管理协议中采用可靠性措施，包括：差错检测和校正、进行数 据编码、差错控制、素具加噪等，极大地提高了蓝牙无线数据传输的可靠性。 为了保证数据传输的安全性，使用AES-128 CCM 加密算法进行数据包加密和认证。
球性的小范围无线通信技术，即现在的蓝牙。
蓝牙标准的发展
V1.1(1998年): 为最早期版本，传输率约在748~810kbps，一般称为基本速率版(Basic Rate - BR)。因为是早期设计，容易受到同频率产品的干扰。 V1.2: 748~810kbps的传输率，增加了抗干扰跳频(Frequency Hopping)功能。 V2.0(2004年): 提升了传输速率，带宽达1.8-2.1Mbps，且能够支持双工工作，既可以 同事传输音频和数据文件，一般称其为增强数据速率版(Enhanced Data Rate EDR)。 V3.0(2009年): 核心是“Generic Alternate MAC/PHY”(AMP)，这是一种全新的交替 射频技术，允许蓝牙协议栈针对任一任务动态地选择正确射频。传输速率更高， 功耗更低，因此被称为高速版(High Speed - HS)。 V4.0(2010年): 包括三个子规范，即传统蓝牙技术、高速蓝牙和新的蓝牙低功耗技术。 蓝牙 4.0的改进之处主要体现在三个方面，电池续航时间、节能和设备种类上。 有效传输距离也有所提升，为60M。
无线广域网
Wireless Wide Area Network
图1. 四种无线网络的传输速度和传输距离对比
2.无线网络中的短距离通信
短距离
无线体域网
距离 <1m <10m <500m 20km~50km
表1. 短距离无线通信的发展过程与特点 标准或技术 802.11 802.11b 802.11a 802.11g 蓝牙1.1 HomeRF HiperLAN2 IrDA 推出时间 1997.6 2000.10 1999 2001.11 2001.2 1998 2002.2 1994.6 典型通信距离(m) 100 100 50 100 10 100 30 2 最大数据传输速率(Mbps) 2 11 54 54 1 1.6 54 16
ZigBee
802.11b
20-250Kbps
1-11Mbps
10~100
30~100
无线传感器网络
无线Internet接入
功耗 设计复杂度 成本
802.11b
传统蓝牙
ZigBee 数据速率
3.蓝牙通信协议
图2. 官方蓝牙4.0核心规范中展示的蓝牙版本历史
Bluetooth is a global standard for short range wireless voice and data communications.
面，游说主流的半导体芯片厂商TI(德州仪器)、Cambridge Silicon Radio(CSR)
和Broadcom(博通)等同意实现该技术。 2006年年中，3大蓝牙芯片供应商——TI、Broadcom和CSR(总共占80%的市场份额) 加入了Wibree技术联盟。其中，TI同时宣布开始研制单模和双模芯片。 2007年6月，经过诺基亚半年多的多方努力，蓝牙技术联盟的6家发起成员（爱立 信、英特尔、联想(代替了IBM)、微软、摩托罗拉和东芝）同意吸收Wibree，于 是两个蓝牙行业论坛宣布正式合并。同时SIG成立了一个ULP(Ultra Low Power)
Bluetooth Smart商标，用于标识支持单模低功耗蓝牙技术的各类传感器和附件；
以及Bluetooth Smart Ready商标，用于标识传统蓝牙与低功耗蓝牙的双模芯片。
图3. 蓝牙4.0的分支
低功耗蓝牙发展历程
大约在2001年，诺基亚意识到在未来的各类新型应用中，手机将扮演一个重要的 角色，为耳机、照相机、摄像机、手提电脑、RFID装置等众多配件和设备提供连 通性。（可惜它没有意识到在智能手机时代它的未来是多么的暗淡！） 2001年春，IEEE(电气和电子工程师协会)发出邀请，征集低功率无线电技术提案。 Phillips和EATON公司向IEEE提交并公开发布了他们的ZigBee技术，诺基亚也决 定提交其低功耗技术。但是诺基亚的低功耗技术基于蓝牙并不受IEEE青睐，于是 指出诺基亚低功耗无线电仅仅作为一个独立的提案，缺乏跨公司的合作。 2004年中期，诺基亚通过改变标准蓝牙技术规范的设备发现、跳频、双模和单模， 实现了低功耗特性，并且完成了项目开发和演示系统，至此称之为蓝牙低端扩展 (Bluetooth low end extension)。但是当时的诺基亚还没有发现合适的机会进 行技术转让和应用，该技术前景一度暗淡。