憑借低功耗特性，BLE Mesh智能照明方案優(yōu)勢(shì)明顯！

當(dāng)初愛(ài)立信開(kāi)發(fā)出“藍(lán)牙”這個(gè)技術(shù)時(shí)，應(yīng)該不會(huì)想到30年后的今天，它會(huì)贏得如此大的市場(chǎng)規(guī)模：根據(jù)藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟預(yù)測(cè)，到2018年全球藍(lán)牙設(shè)備將達(dá)到49億部，而且隨著物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場(chǎng)景的擴(kuò)展，這一數(shù)字還在不斷攀升。之所以藍(lán)牙能夠交出這樣一份“成績(jī)單”與其因應(yīng)市場(chǎng)發(fā)展需求，不斷“變形”的個(gè)性不無(wú)關(guān)系。

寂寞的前4.0時(shí)代

藍(lán)牙誕生之初，其定位是為PC和移動(dòng)設(shè)備，及其配件之間提供一種點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的無(wú)線(xiàn)通信連接。但是與其他無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)協(xié)議，特別是WiFi相比，其在傳輸距離和速率方面都不占優(yōu)勢(shì)。比如代表藍(lán)牙協(xié)議速度極致的藍(lán)牙3.0+HS版本，其傳輸速率理論上雖可達(dá)到24 Mbps，但是和動(dòng)輒幾百M(fèi)bps的WiFi相比還是有明顯差距，況且在藍(lán)牙3.0+HS中，藍(lán)牙只是用于完成協(xié)商和建立連接，高速的數(shù)據(jù)傳輸是由802.11鏈接完成的。所以，干大量“傳輸數(shù)據(jù)”的活兒，藍(lán)牙并無(wú)多少優(yōu)勢(shì)。

因此在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)間內(nèi)，藍(lán)牙技術(shù)雖然也在演進(jìn)，但其最大的應(yīng)用還是局限在無(wú)線(xiàn)耳機(jī)等音頻傳輸?shù)拿浇椋鴮?shí)有些寂寞。

藍(lán)牙4.0：BLE的誕生

命運(yùn)的轉(zhuǎn)折發(fā)生在藍(lán)牙4.0。2010年6月發(fā)布的這個(gè)藍(lán)牙規(guī)格版本中，一個(gè)重要的變化就是將藍(lán)牙協(xié)議分為三個(gè)子集：高速藍(lán)牙、傳統(tǒng)藍(lán)牙和低功耗藍(lán)牙（BLE）。前兩者顯然是沿著以前人們熟知的藍(lán)牙技術(shù)套路前進(jìn)，而新來(lái)的BLE則很準(zhǔn)確地“踩中”了物聯(lián)網(wǎng)興起后短距、低速、低功耗（平均電流微安級(jí)）應(yīng)用這個(gè)風(fēng)口，將藍(lán)牙擴(kuò)展到可穿戴等電池容量受限的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中，擴(kuò)大了藍(lán)牙協(xié)議的語(yǔ)境。加之標(biāo)配藍(lán)牙的智能手機(jī)漸成個(gè)人計(jì)算中心，所以BLE很快呈燎原之勢(shì)擴(kuò)散開(kāi)來(lái)。

不在傳輸速率等別人更具話(huà)語(yǔ)權(quán)的指標(biāo)上計(jì)短長(zhǎng)，而力求通過(guò)BLE將低功耗做到極致，這正是藍(lán)牙審時(shí)度勢(shì)認(rèn)清自我后，一次成功的“變形”。BLE緊緊扣住“低功耗”這一點(diǎn)，做了不少文章，諸如：

• 與傳統(tǒng)藍(lán)牙采用16～32個(gè)頻道相比，BLE僅使用了3個(gè)廣播通道；

• 將射頻開(kāi)啟時(shí)間縮減到0.6～1.2ms，BLE與傳統(tǒng)藍(lán)牙的22.5ms相比，能耗節(jié)省高達(dá)20倍；

• BLE完成連接（掃描、鏈路、發(fā)送數(shù)據(jù)、驗(yàn)證和終止）只需3ms，比傳統(tǒng)藍(lán)牙幾百毫秒減少了兩個(gè)數(shù)量級(jí)；

• BLE的GFSK調(diào)制指數(shù)為0.5（傳統(tǒng)藍(lán)牙是0.35），降低了功耗要求，且有助于擴(kuò)大覆蓋范圍及增強(qiáng)魯棒性；

• BLE使用的數(shù)據(jù)包比傳統(tǒng)藍(lán)牙更短；

• 具有深度睡眠狀態(tài)，此時(shí)主機(jī)可長(zhǎng)時(shí)間處于超低負(fù)載循環(huán)狀態(tài)，按需開(kāi)啟，數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)間間隔也隨之增加，降低系統(tǒng)功耗。

這些特性使得BLE成了諸多電池供電物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的不二之選。在此以后，藍(lán)牙技術(shù)規(guī)范重要的更新大都是圍繞著B(niǎo)LE展開(kāi)的。

圖1，憑借低功耗特性，BLE成了可穿戴設(shè)備標(biāo)配，圖為安富利基于BLE開(kāi)發(fā)的智能手環(huán)解決方案（圖片來(lái)源：安富利）

從4.1到4.2：不斷優(yōu)化的連接性

2013年底，藍(lán)牙技術(shù)升級(jí)到4.1版本，對(duì)連接性的優(yōu)化是這個(gè)版本最大的特點(diǎn)。首先，藍(lán)牙4.1對(duì)于BLE和蜂窩LTE的共存性提出了改善方案，理論上減少了與其他無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)之間相互的干擾；其次，新版本中藍(lán)牙設(shè)備可在網(wǎng)絡(luò)中扮演多重“身份”，既可做外設(shè)也可做樞紐，給開(kāi)發(fā)者提供了更多便利；此外，4.1還在增加設(shè)備重新連接的時(shí)間間隔，提高傳輸效率，支持多設(shè)備連接上做了優(yōu)化。

一年之后，藍(lán)牙4.2如期而至。與之前的版本相比，4.2規(guī)格將BLE數(shù)據(jù)包的容量從27字節(jié)增加到251個(gè)字節(jié)，讓設(shè)備間的數(shù)據(jù)傳輸速度提升了約2.5倍。不過(guò)，藍(lán)牙4.2最大的一個(gè)亮點(diǎn)，還是在連接安全性上的提升。藍(lán)牙4.2在密鑰管理方面添加了不對(duì)稱(chēng)橢圓曲線(xiàn)加密法 (ECC)，還使用了高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)計(jì)數(shù)器，加密策略更為安全，保護(hù)了無(wú)線(xiàn)鏈路的通信安全。

值得一提的是，從藍(lán)牙4.1開(kāi)始，BLE開(kāi)始考慮對(duì)IPv6的支持，可創(chuàng)建IPv6專(zhuān)用通道，目的是讓通過(guò)BLE連接的傳感器節(jié)點(diǎn)無(wú)需網(wǎng)關(guān)服務(wù)即可進(jìn)行IP連接和轉(zhuǎn)換。藍(lán)牙4.2在BLE協(xié)議棧中采用了互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議支持配置文件 (IPSP)，讓BLE設(shè)備通過(guò)簡(jiǎn)單廉價(jià)的路由器或網(wǎng)關(guān)與其他IPv6設(shè)備進(jìn)行通信。這也是藍(lán)牙為了支持更廣泛的物聯(lián)網(wǎng)連接性埋下的伏筆。

藍(lán)牙5的野心

藍(lán)牙4.0問(wèn)世之后的無(wú)線(xiàn)互連市場(chǎng)，在物聯(lián)網(wǎng)概念的推動(dòng)下，已經(jīng)陷入混戰(zhàn)。諸多無(wú)線(xiàn)協(xié)議都是吃著自己“碗”里的，看著別人“鍋”里的，希望在物聯(lián)網(wǎng)初級(jí)階段割據(jù)更多的市場(chǎng)地盤(pán)兒。藍(lán)牙技術(shù)攜用戶(hù)數(shù)量基數(shù)的優(yōu)勢(shì)自然不會(huì)沉默，所以在充分醞釀之后，藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟在2016年底發(fā)布了藍(lán)牙5。人們津津樂(lè)道的藍(lán)牙5的性能“大躍進(jìn)”包括：

• 數(shù)據(jù)傳輸速率提高2倍，從4.0的1Mbps提升到2Mbps；

• 信號(hào)覆蓋范圍提升4倍，可達(dá)300米；

• 廣播信道發(fā)送的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度提升8倍，從31個(gè)字節(jié)增加到255個(gè)字節(jié)。

圖2，藍(lán)牙5數(shù)據(jù)包容量/數(shù)據(jù)吞吐量關(guān)系圖（圖片來(lái)源：Nordic Semiconductor）

不過(guò)，比性能參數(shù)更值得注意的是，新規(guī)范背后蘊(yùn)含的藍(lán)牙技術(shù)新的“野心”——從藍(lán)牙5開(kāi)始，BLE在堅(jiān)守低功耗的前提下正通過(guò)“變形”，獲得向細(xì)分市場(chǎng)更強(qiáng)的滲透力。

數(shù)據(jù)傳輸速率的提升，使得藍(lán)牙5在發(fā)送特定數(shù)據(jù)量時(shí)，無(wú)線(xiàn)電活躍的時(shí)間比4.x協(xié)議更短，從而讓射頻系統(tǒng)處于深度休眠模式的時(shí)間更長(zhǎng)，進(jìn)一步降低了功耗，這對(duì)于典型的BLE應(yīng)用價(jià)值顯著。

而藍(lán)牙5定義的“4倍傳輸范圍”，并非通過(guò)提高射頻發(fā)射功率獲得，而是通過(guò)提高接收器的靈敏度以及在數(shù)據(jù)包中增加冗余位糾錯(cuò)的方式實(shí)現(xiàn)。當(dāng)然，其代價(jià)是必須接受較低的數(shù)據(jù)速率，而且由于需要更長(zhǎng)的數(shù)據(jù)傳輸和校驗(yàn)時(shí)間平均功耗也會(huì)增加。

不過(guò)試想一下，傳輸距離的提升可以讓用戶(hù)擺脫復(fù)雜的Mesh網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的星形結(jié)構(gòu)就可以將連接范圍延展至百米以上，這實(shí)際上是想與ZigBee等既有技術(shù)直接對(duì)標(biāo)競(jìng)爭(zhēng)，以期為藍(lán)牙擴(kuò)展出新的應(yīng)用領(lǐng)域。其中頗具深意。

廣播信道發(fā)送數(shù)據(jù)長(zhǎng)度的提升，則是藍(lán)牙希望通過(guò)Beacon應(yīng)用，從個(gè)人消費(fèi)市場(chǎng)想商業(yè)領(lǐng)域滲透的努力，借此新特性零售商或服務(wù)商可以在廣告包中向地理位置接近的用戶(hù)推送更多信息，實(shí)現(xiàn)高效的獲客和銷(xiāo)售轉(zhuǎn)化。這與目前如火如荼的“新零售”無(wú)疑有明顯的交集。

所以可以預(yù)見(jiàn)，藍(lán)牙5規(guī)范“變形”之后，連帶出的藍(lán)牙應(yīng)用形態(tài)的“變形”會(huì)更加豐富。

BLE Mesh來(lái)了

也有人認(rèn)為藍(lán)牙5的“變形”中稍有缺憾，因?yàn)槿藗兤谕腂LE Mesh并沒(méi)有包含在內(nèi)。實(shí)際上在此之前，“民間”關(guān)于利用BLE實(shí)現(xiàn)Mesh網(wǎng)絡(luò)的嘗試一直沒(méi)有停歇，只是大家期待在藍(lán)牙5中能夠得到藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟官方的承認(rèn)，順利“轉(zhuǎn)正”。畢竟，隨著應(yīng)用的拓展，傳統(tǒng)星型組網(wǎng)方式的局限性難免會(huì)限制人們的想象，Mesh網(wǎng)絡(luò)中基于節(jié)點(diǎn)之間直接進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，可以提高效率，且在復(fù)雜環(huán)境中有更強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)“自愈”能力。

這次，藍(lán)牙沒(méi)有讓人們等待太久，2017年7月藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟宣布藍(lán)牙技術(shù)開(kāi)始全面支持Mesh網(wǎng)絡(luò)！當(dāng)然，從理論上講，由于BLE Mesh基于網(wǎng)絡(luò)泛洪的協(xié)議，模式簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)，但不利于節(jié)點(diǎn)的低功耗優(yōu)化以及大規(guī)模提升節(jié)點(diǎn)數(shù)目，但藍(lán)牙這新一波的“變形”已然啟動(dòng)，技術(shù)的瓶頸總會(huì)被不斷突破，未來(lái)在Mesh網(wǎng)絡(luò)的世界里一定不乏藍(lán)牙的身影。

圖3，安富利開(kāi)發(fā)的BLE Mesh智能照明方案（圖片來(lái)源：安富利）

其實(shí)，像藍(lán)牙這樣熱衷“變形”的技術(shù)并不少見(jiàn)，只是藍(lán)牙是其中最具代表性的一個(gè)。只要市場(chǎng)需求不斷發(fā)展，開(kāi)發(fā)者的想象沒(méi)有上限，這樣的“變形”就會(huì)沒(méi)完沒(méi)了

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