超低功耗是ULP藍(lán)牙技術(shù)取得成功的關(guān)鍵。人們希望，使用普通的鈕扣電池的裝置可運(yùn)行幾個(gè)月甚至幾年。人們對(duì)ULP藍(lán)牙設(shè)想的目標(biāo)市場(chǎng)和產(chǎn)品路線是十分清晰的，目前預(yù)計(jì)ULP藍(lán)牙樣機(jī)的推出和標(biāo)準(zhǔn)的批準(zhǔn)會(huì)在同一個(gè)時(shí)間。
在短距離低功率無線領(lǐng)域，似乎藍(lán)牙技術(shù)的地位已經(jīng)不容置疑。但在功耗和成本成為主要約束的情況下，應(yīng)用就受到了限制，較高的功耗使其應(yīng)用不能使用功率極小的鈕扣電池(圖1)。此外，越來越多的產(chǎn)品要求裝置和設(shè)備之間要能夠?qū)崿F(xiàn)無線協(xié)作，以現(xiàn)行的藍(lán)牙技術(shù)，這只是一個(gè)夢(mèng)想。
藍(lán)牙低功耗無線技術(shù)填補(bǔ)空白
在研究人員視藍(lán)牙低功耗無線技術(shù)(ULP藍(lán)牙)為新的希望之前，想把無線連接加到設(shè)計(jì)中的設(shè)計(jì)工程師面對(duì)著撲朔迷離的各種選擇，如WiMAX(IEEE802.16d)、Wi-Fi(IEEE802.11b/g/n)、藍(lán)牙(IEEE802.11.15.1)、ZigBee(IEEE802.15.4)。不同的技術(shù)似乎覆蓋了整個(gè)無線通訊領(lǐng)域，包括從遠(yuǎn)距離、高帶寬一直到短距離、低功耗(適合電池供電的便攜式裝置使用)。但是，許多工程師意識(shí)到迫切需要另外一種無線射頻技術(shù)，其能夠在小型個(gè)人便攜式產(chǎn)品之間協(xié)作，而且耗電量極小，電池的壽命能夠達(dá)到數(shù)月至一年。
由于缺乏這樣一個(gè)開放的標(biāo)準(zhǔn)，在消費(fèi)類應(yīng)用系統(tǒng)領(lǐng)域留下了一個(gè)利潤(rùn)豐厚的市場(chǎng)，它需要專門的解決方案來填補(bǔ)超低功耗(在發(fā)射或接收時(shí)低于15mA且平均電流在微安的范圍)短距離(數(shù)十米)無線連接的空白。
專有解決方案都具備高帶寬、抗干擾、價(jià)格好、電池壽命令人羨慕的特點(diǎn)。例如，Nordic Semiconductor的nRF24xxx系列2.4 GHz收發(fā)器在全球數(shù)以百萬計(jì)的無線鼠標(biāo)器、鍵盤、保健傳感器和運(yùn)動(dòng)手表中應(yīng)用得非常成功;其中nRF24l01收發(fā)器在發(fā)射或接收功率為0dBm、速度為2Mbps時(shí)，消耗電流約12mA;把Nordic的nRF2601無線桌面協(xié)議(WDP)用在無線鼠標(biāo)器中時(shí)，正常使用的情況下兩節(jié)AA電池的壽命約為一年，相比之下，使用藍(lán)牙的同類鼠標(biāo)器壽命僅一個(gè)月。
專有解決方案的產(chǎn)品的缺點(diǎn)是彼此之間不能協(xié)作。點(diǎn)到點(diǎn)連接的終端產(chǎn)品制造商主要通過專有解決方案的優(yōu)異性價(jià)比獲利，而幾乎都不關(guān)心這個(gè)問題。但一些想以無線方式和其他公司產(chǎn)品連接起來，或想使用其他的收發(fā)器的制造商，就不能采用專有解決方案。而這些公司正是藍(lán)牙低功耗無線技術(shù)所針對(duì)的客戶。
擴(kuò)大無線連接
很多人說，開放標(biāo)準(zhǔn)增加了繁瑣的官僚作風(fēng)、扼殺了創(chuàng)新，但如果沒有1998年成立的非營利組織Bluetooth SIG(藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟)，很有可能藍(lán)牙技術(shù)不會(huì)像現(xiàn)在這樣蓬勃發(fā)展。在最初幾年，只有為數(shù)不多的贊助者大量地投資到技術(shù)規(guī)范的制定、市場(chǎng)宣傳和推廣上，而且沒有人能保證它一定成功。此外，由于得到的支持有限，有些公司可能望而卻步，因?yàn)楹ε逻^時(shí)而不會(huì)納入自己的產(chǎn)品中。藍(lán)牙作為一個(gè)開放標(biāo)準(zhǔn)，鼓勵(lì)半導(dǎo)體廠商之間進(jìn)行良性競(jìng)爭(zhēng)，促成了一系列相互競(jìng)爭(zhēng)然而能夠協(xié)同運(yùn)作的產(chǎn)品和服務(wù)，而也正是Bluetooth SIG培育了新興的Wibree技術(shù)，并將其作為“藍(lán)牙超低功耗無線技術(shù)(ULP藍(lán)牙)”納入藍(lán)牙技術(shù)規(guī)范。
最早，諾基亞只想Wibree與Bluetooth SIG能很好地相處，以手機(jī)作為無線PAN的中心，協(xié)調(diào)無線外設(shè)一起工作。目前，幾乎所有最基本的移動(dòng)電話都裝了藍(lán)牙芯片，手機(jī)能夠很容易地與其他設(shè)備進(jìn)行通信。但是Bluetooth SIG已經(jīng)認(rèn)識(shí)到，如果這個(gè)通信功能可以延伸到安裝了超低功耗無線連接的傳感器或者其他裝置，如裝有心率傳感器、腳步加速度傳感器的智能型運(yùn)動(dòng)手表、具有遠(yuǎn)距離射頻控制功能的裝置、保健傳感器等，它的應(yīng)用是無止境的。
目前的藍(lán)牙做不到這樣的連接性，因?yàn)橛糜谝苿?dòng)電話的任何外圍設(shè)備必須很小、重量輕，要用鈕扣電池供電。此外，手機(jī)制造商并不想在移動(dòng)電話中另外增加射頻裝置。但是如果無線手機(jī)外設(shè)使用ULP藍(lán)牙，而且在手機(jī)上配備經(jīng)過適當(dāng)修改的藍(lán)牙芯片(加入超低功耗的功能)，這一切將很容易實(shí)現(xiàn)。
藍(lán)牙低功耗無線技術(shù)
ULP藍(lán)牙技術(shù)的規(guī)范草案對(duì)超低功耗短距離射頻通信技術(shù)作了詳細(xì)規(guī)定，這是一個(gè)簡(jiǎn)化的協(xié)議，并與藍(lán)牙技術(shù)整合在一起。根據(jù)目前的估計(jì)，協(xié)作規(guī)范(也稱作互操作或互用性規(guī)范)的第一個(gè)商用版本將在2008年下半年出臺(tái)。
ULP藍(lán)牙技術(shù)和藍(lán)牙工作頻率一樣為2.4GHz，這是供工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療(ISM)使用的波段。它的物理層的比特率為1Mb/s，作用距離達(dá)到15m。該帶寬可能超出工程的需要，但卻是經(jīng)過精心選擇的。多年實(shí)地經(jīng)驗(yàn)與專有技術(shù)(如Nordic的nRF24xxx收發(fā)器)的使用經(jīng)驗(yàn)，以及按給定的數(shù)據(jù)量在發(fā)射功率(隨著帶寬增加而增大)和工作周期(隨著帶寬增加而下降)之間的權(quán)衡比較表明，1Mb/s的速度是最合適的。
ULP藍(lán)牙技術(shù)規(guī)范有“雙模式”和“獨(dú)立式”兩種實(shí)施方案?！半p模式”是把藍(lán)牙低功耗功能加到傳統(tǒng)的藍(lán)牙電路中。這樣的芯片具備現(xiàn)有藍(lán)牙技術(shù)的大部分功能和射頻功能，與現(xiàn)在的芯片相比，增加的費(fèi)用是最少的(圖2)。
獨(dú)立式芯片是集成度很高而且尺寸很小的器件。簡(jiǎn)化的藍(lán)牙低功耗無線技術(shù)協(xié)議棧有一個(gè)簡(jiǎn)化的鏈接層(LL)，提供超低功耗的運(yùn)行模式，它找到設(shè)備的過程很簡(jiǎn)單，點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸很可靠，具有先進(jìn)的節(jié)電功能和加密功能。
超低功耗是ULP藍(lán)牙技術(shù)取得成功的關(guān)鍵。人們希望，使用普通的鈕扣電池的裝置可運(yùn)行幾個(gè)月甚至幾年。獨(dú)立式芯片通常工作在低工作周期的情形，進(jìn)入超低功耗閑置和睡眠模式，定期地喚醒進(jìn)行短時(shí)間的通訊。典型的獨(dú)立式ULP藍(lán)牙設(shè)備在運(yùn)行時(shí)(例如運(yùn)動(dòng)手表與心率監(jiān)測(cè)儀交換數(shù)據(jù))，芯片在發(fā)射或接收時(shí)消耗的最大電流不到15mA，在待機(jī)模式下降到約2mA，在睡眠模式則降到900nA。
雙模式芯片主要用于手機(jī)、多媒體電腦和個(gè)人電腦。芯片工作在ULP藍(lán)牙模式時(shí)，功耗大約是普通藍(lán)牙芯片的75%~80%。下一代雙模式藍(lán)牙芯片將具備藍(lán)牙技術(shù)的大部分現(xiàn)有功能和射頻功能，不過，由于雙模式器件將使用藍(lán)牙技術(shù)的部分硬件，它的功耗最終取決于藍(lán)牙的實(shí)施情況。因此，雙模式器件沒有ULP藍(lán)牙技術(shù)規(guī)范中列出的優(yōu)勢(shì)和可能性。
潛力巨大
最初使用藍(lán)牙低功耗無線技術(shù)的有娛樂、醫(yī)療保健和辦公電子設(shè)備。一個(gè)人在訓(xùn)練時(shí)可以利用配備了藍(lán)牙雙模式芯片的智能手機(jī)作為個(gè)人局域網(wǎng)(PAN)的中心，而組成這個(gè)PAN的設(shè)備有：安裝了ULP藍(lán)牙的跑鞋、心率腕帶和運(yùn)動(dòng)手表。也有可能把這個(gè)數(shù)據(jù)傳送到配備適當(dāng)?shù)腉PS裝置，它能夠根據(jù)當(dāng)前的進(jìn)展速度預(yù)測(cè)使用者會(huì)到什么地方去。另外，運(yùn)動(dòng)手表能夠與健身房中步行機(jī)上的ULP藍(lán)牙芯片進(jìn)行通信，把數(shù)據(jù)傳送到智能電話上。ULP藍(lán)牙也可以用來監(jiān)測(cè)心率和血壓，并定期地發(fā)送短信給醫(yī)院的醫(yī)生;或在跑步時(shí)記錄心率、距離和速度，發(fā)送至其他手機(jī)上。在娛樂方面，甚至可以通過ULP藍(lán)牙技術(shù)用移動(dòng)電話駕駛玩具賽車避開障礙物。由于手機(jī)上的雙模式藍(lán)牙芯片能夠與其他配備藍(lán)牙的裝置和配備ULP藍(lán)牙的獨(dú)立產(chǎn)品進(jìn)行通信，許多新的商機(jī)會(huì)涌現(xiàn)。獨(dú)立式芯片也將能夠與其他的獨(dú)立式芯片直接溝通。
正如Nordic Semiconductor的CEO Svenn-Tore Larsen所說：一旦有一個(gè)低成本的方法把具備協(xié)作能力的無線連接加到任何由電池供電的設(shè)備上，那么它的潛力就非常巨大，特別是如果信息可以傳送到手提電話并儲(chǔ)存起來的話。
前景無量
人們對(duì)ULP藍(lán)牙設(shè)想的目標(biāo)市場(chǎng)和產(chǎn)品路線是十分清晰的，目前預(yù)計(jì)ULP藍(lán)牙樣機(jī)的推出和標(biāo)準(zhǔn)的批準(zhǔn)會(huì)在同一個(gè)時(shí)間。ULP藍(lán)牙技術(shù)迅速推廣的唯一主要障礙可能在于非射頻類工程師在把ULP藍(lán)牙設(shè)計(jì)到產(chǎn)品中時(shí)可能會(huì)感到擔(dān)憂。為了解決這個(gè)問題，Nordic Semiconductor一直在與這樣的客戶共同工作，以期提供一種可以提供高度集成的射頻集成電路、藍(lán)牙低功耗無線技術(shù)軟件、開發(fā)工具和參考設(shè)計(jì)來縮短學(xué)習(xí)時(shí)間，加快進(jìn)入市場(chǎng)速度的解決辦法。
到了2008年北京奧運(yùn)盛會(huì)之際，我們將可以看到使用ULP藍(lán)牙技術(shù)的手機(jī)在市場(chǎng)上出售。鑒于智能運(yùn)動(dòng)傳感器和運(yùn)動(dòng)員狀態(tài)表現(xiàn)監(jiān)測(cè)將是藍(lán)牙低功耗無線技術(shù)的一個(gè)主要市場(chǎng)，相信這令人振奮的新型無線技術(shù)將隨2008年奧運(yùn)會(huì)一起走向全球市場(chǎng)。
