藍牙5低功耗特性及在物聯網中的應用分析

鄭士基

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

關鍵詞：藍牙5；低功耗；物聯網

1 藍牙的發展

藍牙（Bluetooth）是在全球范圍內使用最廣泛、最受歡迎的短距離無線通信技術之一，自1998年藍牙技術標準被制定以來，藍牙在全球范圍內的應用得到了飛速的發展。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：保持聯系，無需電纜和插頭，并以此重塑人們的生活方式，實現方便快捷、靈活安全、低成本、小功耗的話音和數據通信。

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品干擾而影響通信質量。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，具備更佳的節能效果。藍牙3則采用全新的交替射頻技術，允許藍牙協議棧針對任一任務動態地選擇正確的射頻，傳輸速率也更高，功耗更低。2010年藍牙4的提出，則包括了3個子規范，即傳統藍牙技術、高速藍牙和新的藍牙低功耗技術，藍牙4的改進之處主要體現在3個方面：電池續航時間、節能和設備的種類，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，在藍牙技術標準被制定的10多年后，藍牙技術聯盟（Special Interest Group，SIG）推出了新的藍牙核心規范版本—藍牙5，而這也是2016年物聯網的大事件之一，為物聯網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網的發展。由于藍牙5針對物聯網進行了底層的優化，這也使得藍牙必然會成為物聯網無線連接解決方案中強有力的競爭者。

根據調研機構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 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除了具有藍牙技術的傳統特性，如無線頻段選擇和抗干擾、多址接入體系和調制方式、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，大大縮短了數據傳輸的時間。藍牙5采用GFSK的調制方式，調制指數范圍為0.45～0.55，接近于調制指數為0.5的GMSK，相比于傳統藍牙技術的調制指數范圍0.28～0.35，利用GFSK的調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，分為廣播信道和數據信道。其中3個廣播信道分散在ISM頻段的不同區域，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。

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，實現了10倍的提高，這樣的改變為藍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，以優化產品的功率損耗，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，能夠實現提高約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傳輸的距離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，通過該技術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 更高的室內定位精度

藍牙用在室內定位已發展了一段時間，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定位的精確度，結合WiFi技術，可以實現精度達到1 m的定位，從而有效擴展了藍牙的應用價值。

4 常見的物聯網無線通信方式

4.1 ZigBee

ZigBee是基于IEEE802.15.4標準的低功耗局域網協議，它是一種短距離、低功耗的無線通信技術，具有近距離、低復雜度、自組織、低功耗、低數據速率等特點。ZigBee協議從下到上分別為物理層、媒體訪問控制層、傳輸層、網絡層和應用層。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。ZigBee的節點非常省電，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，可以作為有線局域網的無線延伸，通常使用2.4 G UHF或5 G SHF ISM 射頻頻段，具有傳輸速度快、組網靈活、成本較低等特點。

4.3 3G/4G

移動通信技術，其中4G能夠快速、高質量地傳輸數據、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移動系統可分為3層：物理網絡層、中間層和應用網絡層。

4.4 NB-IoT

NB-IoT是低功耗廣域網（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，以及對數據量、效率的業務需求。

5 藍牙5在物聯網中的應用

物聯網將物與物連接起來，是萬物互聯的重要網絡。物聯網以互聯網為基礎，也可以看作是互聯網功能的延伸和拓展。以物聯網、大數據、云計算、人工智能為代表的現代通信技術正引發新一輪產業革命，催生出更具創新力的新產品，激發出全新的商業模式，逐步成為推動經濟轉型升級的重要引擎，加速推動人類步入智能化時代。據2017年“世界物聯網博覽會”官方發布信息，我國已部署的機器到機器（Machine to Machine，M2M）終端數量突破1億，物聯網產業規模已從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，我國物聯網產業規模將超過1.5萬億元，物聯網已成為能夠推動生產力飛躍的重要技術之一。

藍牙5中引入的新特性使得藍牙在日新月異的智能家庭、醫療、可穿戴設備、汽車、信標、定位和其他許多物聯網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化，加上Mesh組網的能力（Mesh是一種新型的無線網絡架構，網絡中的每個節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絡），為實現樓宇建筑的智能化提供了最基礎的通信保障。

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

6 結語

藍牙5及其低功耗、廣覆蓋、大容量等特性能夠實現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運行數年，這對于日益普及的物聯網、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、網絡傳輸穩定的要求。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.低功耗藍牙開發權威指南[M].陳燦峰，譯.北京：機械工業出版社，2014.

[2]黎卓芳.藍牙技術在物聯網中的應用研究[J].現代電信科技，2012（12）：61-66.

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