為何需要BLE+UWB Beacon

一、BLE基本特性

l  低功耗：在所有有源無線通訊設(shè)備中，綜合通訊距離和通訊帶寬，BLE是表現(xiàn)最 佳的無線技術(shù)；

l  低延遲：連接速度很快，毫秒級的連接速度；

l  遠(yuǎn)距離：長達(dá)數(shù)百米的通信距離；

l  低成本：工作在2.4GHz的ISM頻段，無需無線電資源管理部門申請許可證，通用性好；

l  抗干擾能力強(qiáng)：工作在2.4GHz的ISM頻段的設(shè)備有很多，藍(lán)牙采用了跳頻方式來擴(kuò)展頻譜；

二、藍(lán)牙地址

藍(lán)牙地址通常顯示為6個字節(jié)，以十六進(jìn)制表示，用冒號分隔(示例- 00:11:22:33:FF:EE)。

Bluetooth Address有三部分組成：NAP, UAP, LAP

藍(lán)牙地址

OUI包含NAP和UAP兩部分。其中NAP（Non-significant Address Part）部分2字節(jié)，為OUI的前16位；NAP值，用于跳頻同步幀。另外，UAP（Upper Address Part）1字節(jié)，包含剩余的8位OUI；UAP值，被用作為各種藍(lán)牙規(guī)范算法中的種子。

除了OUI之外，剩余的3字節(jié)，為LAP(Lower Address Part), 這部分藍(lán)牙地址由設(shè)備供應(yīng)商自己分配。LAP值，作為每一個transmitted Frame中Access Code的一部分，來唯 一地標(biāo)識藍(lán)牙設(shè)備。LAP和UAP構(gòu)成藍(lán)牙地址的重要地址部分(SAP)。

三、低功耗藍(lán)牙與經(jīng)典藍(lán)牙

經(jīng)典藍(lán)牙和低功耗藍(lán)牙比較

低功耗藍(lán)牙信道傳輸中引入糾錯編碼技術(shù)（FEC），最多提高接收靈敏度約12dB，所以可以達(dá)到4倍傳輸距離；藍(lán)牙5的低功耗具有兩種編碼PHY，它基于 1M PHY，分別是500kbps（S=2編碼），125kbps（S=8編碼）

4.2版本的藍(lán)牙信標(biāo)Beacon的廣播距離可達(dá)70米；5.0版本的藍(lán)牙信標(biāo)Beacon的廣播距離可達(dá)100米。

藍(lán)牙的2.4GHz頻譜從2402MHz延伸到2480MHz。LE使用40個1MHz寬的信道，編號為0到39，每個信道分開2MHz。頻道37,38和39僅用于發(fā)送廣告包。其余的用于連接期間的數(shù)據(jù)交換。

2.4GHz頻譜和Wi-Fi頻道中的BLE通道

四、BLE設(shè)備角度及工作流程

四種設(shè)備角色：

① Master/Central：主機(jī)；掃描廣播，發(fā)起對從機(jī)的連接；

② Peripheral：從機(jī)；發(fā)送廣播包，允許被主機(jī)連接；

③ Observer：觀察者；不能發(fā)起連接，只能持續(xù)掃描廣播包；

④ Broadcaster：廣播者；不能被主機(jī)連接，只能廣播數(shù)據(jù)。

BLE設(shè)備四種角色

BLE工作流程

BLE工作流程

五、BLE如何實現(xiàn)低功耗:

BLE是低功耗設(shè)計主要體現(xiàn)以下幾方面：待機(jī)功耗低、高速連接和峰值功耗低3個方面。

待機(jī)功耗低：傳統(tǒng)藍(lán)牙技術(shù)采用16～32個頻道進(jìn)行廣播，而低功耗藍(lán)牙僅使用3個廣播通道，且每次廣播時射頻的開啟時間也由22.5ms減少到0.6～1.2ms，大大降低了廣播數(shù)據(jù)導(dǎo)致的功耗。低功耗藍(lán)牙設(shè)計了用深度睡眠狀態(tài)來替換傳統(tǒng)藍(lán)牙的空閑狀態(tài)，也節(jié)省了最多的能源。

在深度睡眠狀態(tài)下，協(xié)議也針對此通訊模式進(jìn)行了優(yōu)化，數(shù)據(jù)發(fā)送間隔時間也增加到0.5～4s，而且所有連接均采用先進(jìn)的嗅探性（Sniff-Subrating）功能模式，此時的射頻能耗幾乎可以忽略不計。

快速連接的實現(xiàn)：低功耗藍(lán)牙的通訊機(jī)制是瞬態(tài)實現(xiàn)的，需要發(fā)送命令或傳送狀態(tài)時，可以極快的建立連接，完成后迅速斷開連接。低功耗藍(lán)牙下的設(shè)備連接建立過程已可控制在3ms內(nèi)完成，并以數(shù)毫秒的傳輸速度完成經(jīng)認(rèn)可的數(shù)據(jù)傳遞后并立即關(guān)閉連結(jié)。而傳統(tǒng)藍(lán)牙協(xié)議下，即使只是建立鏈路層連接都需要花費(fèi)100ms，建立L2CAP（邏輯鏈路控制與適應(yīng)協(xié)議）層的連接建立時間則更長，通常需要幾秒鐘的時間。

數(shù)據(jù)傳輸：BLE 支持以 1 Mbps 傳輸?shù)姆浅６痰臄?shù)據(jù)包（最少 8 個八位字節(jié)，最多 27 個八位字節(jié)）。所有連接都用advanced sniff-sub rating （減速呼吸模式）來實現(xiàn)超低占空比，從而將能耗降至最 低。

跳頻：BLE 使用所有藍(lán)牙技術(shù)版本通用的 AFH，以最 大限度地減少來自 2.4 GHz ISM 頻段中其他技術(shù)的干擾。高效的多路徑優(yōu)勢可增加鏈路預(yù)算和有效運(yùn)行范圍，并優(yōu)化能源消耗。

Host - Controller：廣播頻段和廣播時射頻開啟時間的減少，傳統(tǒng)藍(lán)牙使用16 ~ 32個頻段進(jìn)行廣播，而BLE僅使用3個廣播頻段， 每次廣播時的射頻開啟時間由傳統(tǒng)藍(lán)牙的22ms減少為0.6~1.2ms，連接速度更快（發(fā)現(xiàn)發(fā)生在 3 個通道上）。BLE 在 controller 中放置了大量精力，其允許HOST休眠更長時間(Duty-Cycle)，并且僅在HOST需要執(zhí)行某些操作時才被控制器喚醒，并且在Duty-Cycle時，發(fā)送數(shù)據(jù)間隔也被增大。這可以最 大程度地節(jié)省電流，因為 host processor通常比 BLE controller 消耗更大的功率。

更加“寬松的”射頻參數(shù)和發(fā)送很短的數(shù)據(jù)包：兩種技術(shù)都使用高斯頻移鍵控(GFSK)調(diào)制，但藍(lán)牙低能耗技術(shù)使用的調(diào)制指數(shù)是0.5，而標(biāo)準(zhǔn)藍(lán)牙技術(shù)是0.35。0.5的指數(shù)接近高斯最小頻移鍵控(GMSK)方案，可以降低無線設(shè)備的功耗要求。于此同時，藍(lán)牙低能耗技術(shù)使用非常短的數(shù)據(jù)包——這能使硅片保持在低溫狀態(tài)。因此，藍(lán)牙低能耗收發(fā)器不需要較耗能的再次校準(zhǔn)和閉環(huán)架構(gòu)。

延遲Latency ：標(biāo)準(zhǔn)藍(lán)牙技術(shù)是一種“面向連接”的無線技術(shù)，具有固定的連接時間間隔，因此是移動電話連接無線耳機(jī)等高活動連接的理想之選。相反，BLE 可以支持最快 3 毫秒的連接建立和數(shù)據(jù)傳輸。這使應(yīng)用程序能夠在短短幾毫秒內(nèi)建立連接并傳輸經(jīng)過身份驗證的數(shù)據(jù)，以便在快速斷開連接之前進(jìn)行短暫的通信。

六、BLE廣告間隔（Advertisement Interval）

當(dāng)BLE外圍設(shè)備處于廣告模式時，在每個廣告頻道上周期性地發(fā)送廣告包。分組之間的時間間隔具有固定間隔和隨機(jī)延遲。

BLE廣告在順序廣告信道中的間隔

你可以將固定間隔設(shè)置為從20ms到10.24秒，步長為0.625ms。隨機(jī)延遲是自動添加的從1ms到10ms的偽隨機(jī)值。這種隨機(jī)性有助于減少不同設(shè)備的廣告之間的碰撞的可能性。廣告對于發(fā)現(xiàn)設(shè)備至關(guān)重要，所以不惜一切代價避免沖突是非常重要的。這是藍(lán)牙智能（Bluetooth Smart）使用的另一種方式來提高穩(wěn)健性。

七、藍(lán)牙信標(biāo)及藍(lán)牙信標(biāo)協(xié)議

藍(lán)牙信標(biāo)利用其支持的通用屬性(GATT)配置文件在第37、38、39通道發(fā)送廣播包，避免在2.4 GHz工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療(ISM)免執(zhí)照頻段上與Wi-Fi數(shù)據(jù)流產(chǎn)生沖突。

主流的藍(lán)牙信標(biāo)協(xié)議：

1.      Apple的 iBeacon

2.      Google的 Eddystone

3.      Radius Network的 AltBeacon

這三個都使用低功耗藍(lán)牙(BLE)廣播方法：每種標(biāo)準(zhǔn)都使用BLE廣播的結(jié)構(gòu)來嵌入它們自己的格式和數(shù)據(jù)。

Apple的iBeacon：iBeacon這個術(shù)語是Apple的商標(biāo)，想要銷售iBeacon產(chǎn)品或使用iBeacon標(biāo)識的供應(yīng)商必須從Apple獲得一個免費(fèi)許可。iBeacon規(guī)定了一個30字節(jié)的包。

Google的Eddystone：Eddystone是Google開發(fā)的一種開源的、跨平臺的信標(biāo)格式。它同時支持Android和iOS設(shè)備。不同于其他信標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)，它定義了幾種不同的框架類型，這些框架類型可以獨(dú)立使用或者結(jié)合起來使用：

l  Eddystone-UID：它廣播一個獨(dú)一 無二的信標(biāo)ID;

l  Eddystone-URL：它廣播統(tǒng)一資源定位符(URL);

l  Eddystone-TLM：它可以被用來廣播信標(biāo)本身的遙測(健康和狀態(tài))數(shù)據(jù);

l  Eddystone-EID：它使用短暫的(短壽命的)標(biāo)識符以支持要求更高安全性的信標(biāo)應(yīng)用。這種框架格式的規(guī)格尚未發(fā)布。

八、為啥需要BLE+UWB的信標(biāo)：

相比BLE，UWB自身缺陷問題：

l  功耗：DW1000的收發(fā)的功耗100mA及以上，DW3000的收發(fā)功耗也要在幾十mA，大大高于BLE的幾mA的收發(fā)功耗；

l  成本：UWB芯片的成本是BLE的5倍以上；

l  標(biāo)準(zhǔn)化：目前UWB的標(biāo)準(zhǔn)化程度以及進(jìn)程遠(yuǎn)低于BLE

UWB能解決BLE解決不了的問題：

l  安全：BLE的Beacon消息很容易被模仿，以假亂真；UWB Beacon很難被模仿，通過TOF距離判斷，可以做到防偽的安全通訊。近距離安全無線數(shù)據(jù)通訊，防止截獲及復(fù)制，對于移動支付，以及開關(guān)門等門禁控制很重要。

l  容量：為了避免沖突，同一區(qū)域內(nèi)BLE Beacon數(shù)量是有限的（一般是幾十個）；Beacon數(shù)量多的情況，會導(dǎo)致掃描不到或每次掃描不能發(fā)現(xiàn)所有設(shè)備的情況。UWB頻譜帶寬（500M及以上）相比BLE的3個廣播通道（每個2M）高很多，此外UWB有時隙通訊的機(jī)制，UWB Beacon的丟包概率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于BLE Beacon，區(qū)域內(nèi)容量也遠(yuǎn)超BLE；

l  抗干擾：BLE采用的2.4G的頻道，在室外下雨天等潮濕環(huán)境表現(xiàn)很差，數(shù)據(jù)包丟失嚴(yán)重（2.4G信號能量易被水分子吸收），2.4G的ISM的同頻設(shè)備比較多，易被其他設(shè)備干擾；UWB可以選用CH2、CH5、CH9，頻率從3.2G到10G，選擇范圍寬，避開同頻干擾的機(jī)會更大；

l  測距：到達(dá)時間以及TOF的精準(zhǔn)測距是UWB獨(dú)有優(yōu)勢，比RSSI測距要強(qiáng)太多。在某些場景如果需要目標(biāo)的精準(zhǔn)距離，目前只有UWB是可行的高精度測距技術(shù)。

l  方位檢測：基于UWB的AOA和PDOA技術(shù)，可以不用復(fù)雜的天線設(shè)計，同時接收及角度測量的模塊支持很小的體積，這個也是相比藍(lán)牙AOA的優(yōu)勢。在一些類似智能門鎖等應(yīng)用，市場期望方位檢測模塊盡可能小，這樣才易被集成。

l  高精度定位：由于基于RSSI測距精度十分有限，導(dǎo)致基于藍(lán)牙的定位效果相比基于TOF測距的UWB定位，效果也是相差很多。在需要高精度定位場景，UWB也是不二的選擇。

融合兩種技術(shù)的信標(biāo)中BLE和UWB各自發(fā)揮如何功能？

BLE+UWB的好處：

l  基于BLE技術(shù)解決標(biāo)簽不在定位區(qū)域時的功耗：由于很多應(yīng)用場景標(biāo)簽并不是時刻在定位區(qū)域（可以和UWB基站通訊上），這個情況下標(biāo)簽工作在BLE Beacon狀態(tài)；

l  基于UWB實現(xiàn)精準(zhǔn)定位：當(dāng)標(biāo)簽進(jìn)入定位區(qū)域，可以切換到UWB Beacon工作狀態(tài)，實現(xiàn)高精度定位，當(dāng)離開定位區(qū)域，重新回到BLE Beacon狀態(tài)；

l  支持配合BLE 網(wǎng)關(guān)的簡單場景應(yīng)用：比如醫(yī)院對于醫(yī)療儀器管理就是基于BLE Beacon采集設(shè)備數(shù)據(jù)，通過房間內(nèi)的BLE GW實現(xiàn)醫(yī)療儀器的定位及使用狀況的數(shù)據(jù)采集；

l  極大解決了單純UWB標(biāo)簽的功耗問題（UWB Beacon的發(fā)送功耗是BLE的發(fā)送功耗的5-10倍），延長了帶機(jī)時長。

l  解決了同一區(qū)域標(biāo)簽容量的問題：BLE Beacon最 大的困惑是單區(qū)域中的BLE Beacon數(shù)量十分有限（建議是幾十個，每秒一次廣播），采用UWB Beacon可以提高區(qū)域標(biāo)簽的容量到幾百個（每秒一次廣播）；

BLE+UWB經(jīng)典應(yīng)用：蘋果AirTag等防丟標(biāo)簽

防丟標(biāo)簽有兩種形態(tài)：一種僅支持BLE Beacon，這個技術(shù)競爭力不夠，多為小廠家產(chǎn)品，優(yōu)勢是價格便宜；另一種就是蘋果、三星等大廠的產(chǎn)品，是BLE Beacon+UWB Beacon融合的產(chǎn)品。

AirTag=BLE+UWB信標(biāo)：AirTag是BLE藍(lán)牙信標(biāo)和UWB超寬帶技術(shù)結(jié)合實現(xiàn)對位置的判斷的。

目前蘋果的藍(lán)牙耳機(jī)等智能終端產(chǎn)品，都是融合BLE+UWB兩種技術(shù)；

BLE+UWB的2C應(yīng)用場景：BLE實現(xiàn)70-80米范圍內(nèi)的發(fā)現(xiàn)標(biāo)簽，UWB實現(xiàn)近距離的方位定位（角度+距離）。平常設(shè)備都是工作BLE Beacon，只有在場景需要的情況，采用人工交互的方式啟動UWB 方位定位，基于UWB AOA或PDOA技術(shù)實現(xiàn)近距離（10米以內(nèi)）的高精度方位定位。

BLE+UWB的2B應(yīng)用場景：BLE和UWB都實現(xiàn)70-80米范圍內(nèi)覆蓋，TAG平常在BLE 工作模式UWB休眠，當(dāng)進(jìn)入UWB基站定位區(qū)域，可以啟動UWB工作模式；當(dāng)離開UWB基站區(qū)域，UWB進(jìn)入休眠并切換到BLE工作模式。