廣元為何需要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；

l  低延遲：連接速度很快，毫秒級的連接速度；

l  遠距離：長達數百米的通信距離；

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：工作在2.4GHz的ISM頻段的設備有很多，藍牙采用了跳頻方式來擴展頻譜；

二、藍牙地址

藍牙地址通常顯示為6個字節(jié)，以十六進制表示，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), 這部分藍牙地址由設備供應商自己分配。LAP值，作為每一個transmitted Frame中Access Code的一部分，來唯 一地標識藍牙設備。LAP和UAP構成藍牙地址的重要地址部分(SAP)。

三、低功耗藍牙與經典藍牙

經典藍牙和低功耗藍牙比較

低功耗藍牙信道傳輸中引入糾錯編碼技術（FEC），最多提高接收靈敏度約12dB，所以可以達到4倍傳輸距離；藍牙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版本的藍牙信標Beacon的廣播距離可達70米；5.0版本的藍牙信標Beacon的廣播距離可達100米。

藍牙的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據交換。

2.4GHz頻譜和Wi-Fi頻道中的BLE通道

四、BLE設備角度及工作流程

四種設備角色：

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

② Peripheral：從機；發(fā)送廣播包，允許被主機連接；

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；不能被主機連接，只能廣播數據。

BLE設備四種角色

BLE工作流程

BLE工作流程

五、BLE如何實現(xiàn)低功耗:

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

待機功耗低：傳統(tǒng)藍牙技術采用16～32個頻道進行廣播，而低功耗藍牙僅使用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，大大降低了廣播數據導致的功耗。低功耗藍牙設計了用深度睡眠狀態(tài)來替換傳統(tǒng)藍牙的空閑狀態(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行了優(yōu)化，數據發(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)：低功耗藍牙的通訊機制是瞬態(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。低功耗藍牙下的設備連接建立過程已可控制在3ms內完成，并以數毫秒的傳輸速度完成經認可的數據傳遞后并立即關閉連結。而傳統(tǒng)藍牙協(xié)議下，即使只是建立鏈路層連接都需要花費100ms，建立L2CAP（邏輯鏈路控制與適應協(xié)議）層的連接建立時間則更長，通常需要幾秒鐘的時間。

數據傳輸：BLE 支持以 1 Mbps 傳輸的非常短的數據包（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 使用所有藍牙技術版本通用的 AFH，以最 大限度地減少來自 2.4 GHz ISM 頻段中其他技術的干擾。高效的多路徑優(yōu)勢可增加鏈路預算和有效運行范圍，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)藍牙使用16 ~ 32個頻段進行廣播，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)送數據間隔也被增大。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”射頻參數和發(fā)送很短的數據包：兩種技術都使用高斯頻移鍵控(GFSK)調制，但藍牙低能耗技術使用的調制指數是0.5，而標準藍牙技術是0.35。0.5的指數接近高斯最小頻移鍵控(GMSK)方案，可以降低無線設備的功耗要求。于此同時，藍牙低能耗技術使用非常短的數據包——這能使硅片保持在低溫狀態(tài)。因此，藍牙低能耗收發(fā)器不需要較耗能的再次校準和閉環(huán)架構。

延遲Latency ：標準藍牙技術是一種“面向連接”的無線技術，具有固定的連接時間間隔，因此是移動電話連接無線耳機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據傳輸。這使應用程序能夠在短短幾毫秒內建立連接并傳輸經過身份驗證的數據，以便在快速斷開連接之前進行短暫的通信。

六、BLE廣告間隔（Advertisement Interval）

當BLE外圍設備處于廣告模式時，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置為從20ms到10.24秒，步長為0.625ms。隨機延遲是自動添加的從1ms到10ms的偽隨機值。這種隨機性有助于減少不同設備的廣告之間的碰撞的可能性。廣告對于發(fā)現(xiàn)設備至關重要，所以不惜一切代價避免沖突是非常重要的。這是藍牙智能（Bluetooth Smart）使用的另一種方式來提高穩(wěn)健性。

七、藍牙信標及藍牙信標協(xié)議

藍牙信標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)、科學和醫(yī)療(ISM)免執(zhí)照頻段上與Wi-Fi數據流產生沖突。

主流的藍牙信標協(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牙(BLE)廣播方法：每種標準都使用BLE廣播的結構來嵌入它們自己的格式和數據。

Apple的iBeacon：iBeacon這個術語是Apple的商標，想要銷售iBeacon產品或使用iBeacon標識的供應商必須從Apple獲得一個免費許可。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、跨平臺的信標格式。它同時支持Android和iOS設備。不同于其他信標標準，它定義了幾種不同的框架類型，這些框架類型可以獨立使用或者結合起來使用：

l  Eddystone-UID：它廣播一個獨一 無二的信標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本身的遙測(健康和狀態(tài))數據;

l  Eddystone-EID：它使用短暫的(短壽命的)標識符以支持要求更高安全性的信標應用。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：

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  標準化：目前UWB的標準化程度以及進程遠低于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。近距離安全無線數據通訊，防止截獲及復制，對于移動支付，以及開關門等門禁控制很重要。

l  容量：為了避免沖突，同一區(qū)域內BLE Beacon數量是有限的（一般是幾十個）；Beacon數量多的情況，會導致掃描不到或每次掃描不能發(fā)現(xiàn)所有設備的情況。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有時隙通訊的機制，UWB Beacon的丟包概率要遠遠好于BLE Beacon，區(qū)域內容量也遠超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，數據包丟失嚴重（2.4G信號能量易被水分子吸收），2.4G的ISM的同頻設備比較多，易被其他設備干擾；UWB可以選用CH2、CH5、CH9，頻率從3.2G到10G，選擇范圍寬，避開同頻干擾的機會更大；

l  測距：到達時間以及TOF的精準測距是UWB獨有優(yōu)勢，比RSSI測距要強太多。在某些場景如果需要目標的精準距離，目前只有UWB是可行的高精度測距技術。

l  方位檢測：基于UWB的AOA和PDOA技術，可以不用復雜的天線設計，同時接收及角度測量的模塊支持很小的體積，這個也是相比藍牙AOA的優(yōu)勢。在一些類似智能門鎖等應用，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，導致基于藍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。

融合兩種技術的信標中BLE和UWB各自發(fā)揮如何功能？

BLE+UWB的好處：

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

l  基于UWB實現(xiàn)精準定位：當標簽進入定位區(qū)域，可以切換到UWB Beacon工作狀態(tài)，實現(xiàn)高精度定位，當離開定位區(qū)域，重新回到BLE Beacon狀態(tài)；

l  支持配合BLE 網關的簡單場景應用：比如醫(yī)院對于醫(yī)療儀器管理就是基于BLE Beacon采集設備數據，通過房間內的BLE GW實現(xiàn)醫(yī)療儀器的定位及使用狀況的數據采集；

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

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

BLE+UWB經典應用：蘋果AirTag等防丟標簽

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

AirTag=BLE+UWB信標：AirTag是BLE藍牙信標和UWB超寬帶技術結合實現(xiàn)對位置的判斷的。

目前蘋果的藍牙耳機等智能終端產品，都是融合BLE+UWB兩種技術；

BLE+UWB的2C應用場景：BLE實現(xiàn)70-80米范圍內的發(fā)現(xiàn)標簽，UWB實現(xiàn)近距離的方位定位（角度+距離）。平常設備都是工作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技術實現(xiàn)近距離（10米以內）的高精度方位定位。

BLE+UWB的2B應用場景：BLE和UWB都實現(xiàn)70-80米范圍內覆蓋，TAG平常在BLE 工作模式UWB休眠，當進入UWB基站定位區(qū)域，可以啟動UWB工作模式；當離開UWB基站區(qū)域，UWB進入休眠并切換到BLE工作模式。