使用藍(lán)牙5增強(qiáng)信標(biāo)

Joe Tillison

摘要：討論了藍(lán)牙5中添加的廣告擴(kuò)展（advertising extension）和其他重要功能，這些功能可用于構(gòu)建具有擴(kuò)展功能的第二代信標(biāo)，從而支持更多功能豐富的接近感知（proximity-aware）應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：信標(biāo);藍(lán)牙5;廣告擴(kuò)展;接近感知

0引言

低功耗藍(lán)牙（Bluetooth LE）信標(biāo)已經(jīng)在市場上部署了幾年，并且已成為接近感知應(yīng)用的領(lǐng)先技術(shù)選擇。Bluetooth LE的低功耗和簡單性，再加上其在智能手機(jī)中的普遍使用，可實(shí)現(xiàn)低成本、電池供電的信標(biāo)，并使信標(biāo)能廣泛應(yīng)用于智能手機(jī)應(yīng)用程序中基于位置的服務(wù)。到目前為止，Bluetooth LE信標(biāo)依靠的是最初在藍(lán)牙4.0中定義的廣告包結(jié)構(gòu)，信標(biāo)內(nèi)容被填充到有限的31字節(jié)有效負(fù)載中。藍(lán)牙5為Bluetooth LE引入了幾個(gè)主要增強(qiáng)功能，包括新PHY層和廣告擴(kuò)展。這些增強(qiáng)功能大大增加了廣告機(jī)制的功能性和靈活性，包括更大的廣告包容量。

在本文中，我們將簡要回顧信標(biāo)基礎(chǔ)知識，然后討論這些新的藍(lán)牙5功能以及它們?nèi)绾问沟诙艠?biāo)具有更完整、更豐富的內(nèi)容。本文推薦參考2016年無線大會(huì)（Wireless Congress 2016）的介紹性文章，標(biāo)題為《使用低功耗藍(lán)牙技術(shù)開發(fā)信標(biāo)》。

1信標(biāo)基礎(chǔ)概述

1.1什么是信標(biāo)以及如何使用？

一般而言，信標(biāo)是一種小型、廉價(jià)的無線設(shè)備，通常由電池供電，使用低功耗藍(lán)牙技術(shù)來廣播其存在。信標(biāo)通常被描述為燈塔的射頻版本，反復(fù)廣播其范圍內(nèi)其他設(shè)備可以識別的標(biāo)識符。智能手機(jī)或平板電腦可以使用信標(biāo)的標(biāo)識符來觸發(fā)基于信標(biāo)接近度的操作。接近度的概念非常重要，因?yàn)樾艠?biāo)不會(huì)直接提供有關(guān)其確切物理位置的信息;接收信標(biāo)的設(shè)備只會(huì)知道它在信標(biāo)附近。此外，信標(biāo)也是可以移動(dòng)的。

需要注意的是，藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟（SIG）沒有定義信標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)。取而代之的是有來自大型操作系統(tǒng)提供商的各種信標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)，例如蘋果公司的iBeacon和Google的開源Eddystone，并且還有許多用于封閉系統(tǒng)的專有信標(biāo)格式。

1.2兩種信標(biāo)使用模式

信標(biāo)通常用于兩種情況。上面描述了第一種，也是最常見的，即通過智能手機(jī)/平板電腦檢測放置在固定位置或連接到可移動(dòng)對象上的信標(biāo)，并根據(jù)其接近度觸發(fā)行為。一個(gè)示例是推薦與物理環(huán)境有關(guān)的Web內(nèi)容，例如顯示公交車站的時(shí)刻表。另一個(gè)示例是通過使用特意在大型設(shè)施（如機(jī)場或醫(yī)院）周圍安裝的信標(biāo)網(wǎng)絡(luò)提供室內(nèi)導(dǎo)航。

第二種情況是使用固定的掃描器節(jié)點(diǎn)監(jiān)視標(biāo)有信標(biāo)的對象在通過監(jiān)視區(qū)域時(shí)的狀態(tài)。掃描器通常是另一個(gè)網(wǎng)絡(luò)的一部分，該網(wǎng)絡(luò)將這些信標(biāo)ID報(bào)告給后臺(tái)應(yīng)用。該模型可應(yīng)用于昂貴工具和設(shè)備的地理圍欄、計(jì)數(shù)牲畜的移動(dòng)或跟蹤貨物。

1.3接近感知示例應(yīng)用

上述兩種使用場景都依賴于接近感知。在第一種情況下，用戶的智能手機(jī)接近信標(biāo)。在第二種情況下，信標(biāo)接近信標(biāo)掃描節(jié)點(diǎn)。在零售和商業(yè)領(lǐng)域都可發(fā)現(xiàn)兩種模式的應(yīng)用。

iBeacon的最早應(yīng)用專注于零售購物體驗(yàn)。遍布整個(gè)商店的信標(biāo)允許相關(guān)應(yīng)用程序根據(jù)用戶的購買歷史和在商店中的位置向用戶顯示個(gè)性化消息。一些商店通過信標(biāo)顯示特價(jià)促銷品而吸引路人。如今，大多數(shù)大型零售商要么正在積極使用信標(biāo)，要么正在現(xiàn)場試驗(yàn)中對其進(jìn)行測試以衡量ROI（投資回報(bào)率）。

其他應(yīng)用包括銷售終端系統(tǒng)，例如自動(dòng)售貨機(jī)。舉例來說，當(dāng)顧客接近啟用信標(biāo)的自動(dòng)售貨機(jī)時(shí)，該顧客的智能手機(jī)可以顯示指向網(wǎng)站的鏈接，該網(wǎng)站會(huì)建議喜歡的商品或安全付款選項(xiàng)菜單。類似的應(yīng)用案例正在快餐速遞中試用。如果顧客已經(jīng)使用餐廳的應(yīng)用程序預(yù)先選擇了他們的訂單，則信標(biāo)允許該應(yīng)用程序檢測他們何時(shí)到達(dá)餐廳以及停車的位置，以便準(zhǔn)備餐食。

信標(biāo)的商業(yè)用途也正在蓬勃發(fā)展。如上所述，信標(biāo)可用于跟蹤和管理重要資產(chǎn)，例如昂貴的電動(dòng)工具。具有信標(biāo)功能的工具可以定期廣播“我在這里”，以便庫存管理系統(tǒng)能夠確定它何時(shí)位于工具箱中、車間中，還是根本不在范圍內(nèi)。由于所有信標(biāo)都可以設(shè)計(jì)為同時(shí)支持常規(guī)Bluetooth LE數(shù)據(jù)服務(wù)（基于連接），因此除了信標(biāo)本身以外，它們還可以合并其他有用的功能，例如，庫存系統(tǒng)可以讀取工具的電池狀態(tài)、工作時(shí)間和電機(jī)性能歷史記錄。這對于管理工具的利用率和使用壽命具有顯著的意義。某些后臺(tái)系統(tǒng)甚至可以通過使用另一位用戶收集的信標(biāo)數(shù)據(jù)，在所有者的范圍之外找到加標(biāo)簽的資產(chǎn)。

隨著藍(lán)牙m(xù)esh在商業(yè)照明應(yīng)用中的普及，具有吸引力的信標(biāo)新應(yīng)用正在興起。照明供應(yīng)商開始意識到在每個(gè)燈具中集成基于mesh的照明控件和集成信標(biāo)（或信標(biāo)掃描器）以提供其他服務(wù)的協(xié)同效應(yīng)，例如室內(nèi)導(dǎo)航或跟蹤倉庫中的貨箱或貨盤。

2使用藍(lán)牙4.x的信標(biāo)

2.1 Bluetooth Low Energy 4.x廣告包

Bhetooth LE規(guī)范版本4.x在（2.4～2.5）GHz ISM頻段中定義740個(gè)2 MHz寬的信道，其中保留了3個(gè)用于廣告的信道（信道37、38和39），其他37個(gè)是數(shù)據(jù)信道（0-36）。廣告包和數(shù)據(jù)包都使用具有可變大小有效載荷的相同格式，并且僅通過所使用的信道來區(qū)分。廣告包以明碼形式發(fā)送，數(shù)據(jù)信道可以加密。在4.0版本中，廣告包和數(shù)據(jù)包都具有最大3 1字節(jié)的有效負(fù)載。4.2版本將數(shù)據(jù)信道有效負(fù)載增加gU255個(gè)字節(jié)，但保持廣告包不變。

一個(gè)被完全利用的廣告包需要花費(fèi)376 us進(jìn)行傳輸。在進(jìn)行廣告廣播時(shí)，會(huì)在所有3個(gè)廣告信道上發(fā)送相同的包，以增加掃描器接收到其中1個(gè)的可能性。因此，整個(gè)廣告事件通常要花費(fèi)1 ms以上。

信標(biāo)通過利用Bluetooth LE的廣告信道來廣播已知的信標(biāo)標(biāo)識符，從而有效工作。它們使用標(biāo)準(zhǔn)的廣告包格式，但隨后進(jìn)一步對有效負(fù)載進(jìn)行子格式設(shè)置，以遵循其預(yù)先設(shè)定的信標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)中的預(yù)定義結(jié)構(gòu)。信標(biāo)標(biāo)識符通常包括通用唯一標(biāo)識符（UUID），該標(biāo)識符允許將單個(gè)信標(biāo)與任何其他信標(biāo)進(jìn)行唯一性區(qū)分。

在傳統(tǒng)的Bluetooth LE應(yīng)用中，可連接的廣告包會(huì)提供標(biāo)識廣告節(jié)點(diǎn)的信息，并在其后跟隨一個(gè)偵聽周期，在此期間掃描器可以請求訪問該節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)。相比之下，信標(biāo)通常使用不可連接的廣告，廣播但從不偵聽，因此它們在廣告包自身提供了所有有用的信息。同時(shí)支持信標(biāo)和其他服務(wù)的混合設(shè)備可以交錯(cuò)可連接廣告包和不可連接包。傳輸?shù)陌愋陀蒔DU標(biāo)頭中的PDU類型字段標(biāo)識，這是在保持向后兼容性的同時(shí)添加藍(lán)牙5擴(kuò)展廣告功能的關(guān)鍵。

2.2挑戰(zhàn)與局限

Bluetooth LE 4.x版本信標(biāo)的最大限制是較短的廣告包長度。由于僅使用3 1字節(jié)的數(shù)據(jù)有效載荷，4.x版本廣告包限制了信標(biāo)可以提供的信息量。蘋果的iBeacon使用此有限的有效載荷來提供唯一的信標(biāo)ID。Google的URIBeacon使用它來廣播指向Internet資源的壓縮URL，Eddystone信標(biāo)使用多種不同的幀類型來滿足各種信標(biāo)用例的需求。

另一個(gè)挑戰(zhàn)來自創(chuàng)建支持多種格式的通用信標(biāo)的需求。假設(shè)有人想同時(shí)支持iBeacon和Eddystone-uID，并且可能需要第三種專有格式的健康數(shù)據(jù)信標(biāo)，而又不必使用3個(gè)不同的物理信標(biāo)。想達(dá)到此目的，設(shè)備需要分別對每個(gè)不同的信標(biāo)進(jìn)行廣播，并交錯(cuò)每個(gè)不同的格式。這樣可以從單個(gè)物理設(shè)備成功創(chuàng)建多個(gè)虛擬信標(biāo)，但是由于交錯(cuò)是由活動(dòng)處理器在應(yīng)用級別進(jìn)行管理的，因此會(huì)在有限的電池資源上造成更快的消耗。

覆蓋范圍也可能是一個(gè)限制。在零售商店等密集的信標(biāo)環(huán)境中，短距離是可取的，因?yàn)樗鼮榻咏?wù)提供了更好的準(zhǔn)確性。但是某些應(yīng)用需要更遠(yuǎn)的范圍，例如大型大學(xué)、公司園區(qū)或機(jī)場。

Bluetooth LE本身的成功是另一個(gè)新出現(xiàn)的挑戰(zhàn)。這3個(gè)廣告信道變得越來越擁擠。在使用藍(lán)牙m(xù)esh的環(huán)境中，這種情況尤其嚴(yán)重，藍(lán)牙m(xù)esh使用3個(gè)廣告信道進(jìn)行所有網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)通信。

3藍(lán)牙5增強(qiáng)功能

藍(lán)牙5對低功耗標(biāo)準(zhǔn)的幾個(gè)要素進(jìn)行了增強(qiáng)，包括首次為LE無線電提供了新的PHY定義。它還為跳頻算法添加了替代信道選擇方案，提供了更高的發(fā)射功率，并允許對廣告機(jī)制進(jìn)行多次改變，這些統(tǒng)稱為廣告擴(kuò)展（Advertising Extension）功能。所有這些增強(qiáng)功能旨在保持與4.0版本標(biāo)準(zhǔn)的向后兼容性。

1）2個(gè)新PHY

添加了2個(gè)新的物理層定義，即以2 Mbps傳輸?shù)腖E 2M PHY和以125 kbps或500kbps傳輸?shù)腖E CodedPHY。LE 2M PHY將先前的1 Mbps數(shù)據(jù)速率提高了1倍，這是4.0版本中原始Bluetooth LE規(guī)范的一部分。由此產(chǎn)生的更高吞吐量可為空中傳輸大量數(shù)據(jù)（例如固件更新）的應(yīng)用提供顯著改善的用戶體驗(yàn)。較高的數(shù)據(jù)速率以射頻范圍為代價(jià)，覆蓋范圍降低了約20%，但對功耗產(chǎn)生了有益的影響（因?yàn)闊o線電廣播時(shí)間更短）。

顧名思義，LE Coded PHY使用附加編碼和前向糾錯(cuò)功能來改善接收器端的可靠信號接收。使用2種可選的編碼方案，有效地?cái)U(kuò)展了1M PHY范圍到之前的2-4倍。然而，更遠(yuǎn)的范圍是以吞吐率為代價(jià)的，這是因?yàn)榫幋a器需要將每個(gè)數(shù)據(jù)位轉(zhuǎn)換為多個(gè)符號來進(jìn)行射頻傳輸。由于無線電的廣播更長，因此CodedPHY也增加了功耗。

2）10倍發(fā)射功率

在藍(lán)牙5之前，Bluetooth LE發(fā)射功率被限制為最大10 mW（+10 dBm），而在藍(lán)牙5的情況下，最大發(fā)射功率增加到100mW（+20 dBm）。但是，應(yīng)該指出的是，在某些地區(qū)，尤其是歐盟國家，如果不使用藍(lán)牙5中添加的新信道選擇算法（CSA#2），則無法使用+20 dBm。CSA#2對自適應(yīng)FHSS算法強(qiáng)制使用最小信道數(shù)，以確保射頻功率頻譜密度保持在規(guī)定限值以下。這2個(gè)規(guī)格的聯(lián)合增強(qiáng)作用使Bluetooth LE發(fā)射器的發(fā)射功率達(dá)到之前允許的10倍，覆蓋范圍達(dá)到原始Bluetooth LE規(guī)范的2倍以上。

3）廣告擴(kuò)展

藍(lán)牙5對從Bluetooth LE 4.0版本以來采用的簡單廣告包進(jìn)行了實(shí)質(zhì)性增強(qiáng)，其中包括：

·次廣告信道（Secondary Advertising Channel）;

·廣告包鏈（AdvertisingPacketChaining）;

·廣告數(shù)據(jù)集（AdvertisingData Set）;

·周期廣告（Pefiodic Advertising）;

·高占空比廣告（Hi曲Duty Cycle Advertising）。

傳統(tǒng)的廣告包與數(shù)據(jù)包保持相同的結(jié)構(gòu)，最大數(shù)據(jù)有效載荷為31字節(jié)。但是，現(xiàn)在將3個(gè)原始廣告信道定義為“主廣告信道”（Primary AdvertisingChannel），除了3個(gè)廣告信道之外，37個(gè)數(shù)據(jù)信道也可以用于廣告。這些被定義為次廣告信道。次廣告信道可以承載更大的數(shù)據(jù)有效載荷，最大254字節(jié)，并可以使用任何PHY，包括新的2 MSDCoded PHY。

所有Bluetooth LE廣告活動(dòng)仍然從3個(gè)主廣告信道開始。但是，為了實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)的廣告功能，同時(shí)保持向后兼容性，添加了新的廣告PDU類型，其中包括一種用于主廣告信道上的新型廣告包類型。這個(gè)新包很短，僅包含1個(gè)標(biāo)頭，該標(biāo)頭指示將在次廣告信道上提供其余數(shù)據(jù)（使用新的擴(kuò)展包格式）。它包含1個(gè)指針，該指針指定將使用哪個(gè)信道和PHY，以及何時(shí)發(fā)送新包。這種安排提供了額外的好處，不僅支持更大的廣告包，而且還分擔(dān)了來自3個(gè)主廣告信道的流量。

用于次廣告信道的較大廣告包可以包括指向另一個(gè)信道上的后續(xù)廣告包的指針（使用同一PHY）。這被稱為廣告包鏈，它允許創(chuàng)建甚至大于254字節(jié)的廣告有效載荷。

廣告數(shù)據(jù)集的添加允許Bluetooth LE鏈路層交錯(cuò)多個(gè)廣告事件，每個(gè)事件具有不同的廣告有效負(fù)載集，且無需主機(jī)處理器參與。這些廣告事件中的每一個(gè)都是Bluetooth LE狀態(tài)機(jī)中廣告狀態(tài)的單獨(dú)實(shí)例，并且每個(gè)數(shù)據(jù)集可以具有不同的廣告參數(shù)（PHY、包格式、廣告間隔、功率等級等）。這允許單個(gè)物理信標(biāo)更優(yōu)雅地支持遵循不同標(biāo)準(zhǔn)的多種類型的信標(biāo)。將交錯(cuò)任務(wù)從主機(jī)處理器卸載到鏈路層可以釋放主機(jī)資源，并可以更有效地支持多種信標(biāo)格式。

藍(lán)牙5還引入了在次廣告信道上的廣告事件之間使用確定性計(jì)時(shí)的功能，這稱為周期廣告。在4.x版本中，廣告事件之間的間隔包括1個(gè)隨機(jī)因素，以確保任意2個(gè)設(shè)備不會(huì)因?yàn)樯漕l通道上的循環(huán)沖突而無意間相互同步。借助周期廣告，掃描設(shè)備可以在已知的固定定時(shí)間隔內(nèi)執(zhí)行掃描，更有效地管理射頻接收器的活動(dòng)時(shí)間，從而降低功耗。廣告設(shè)備在主廣告信道上定期地發(fā)送新的廣告事件，該事件指向同步數(shù)據(jù)，從而允許新的掃描器同步到周期性廣告間隔。周期廣告在使用信標(biāo)標(biāo)記進(jìn)行資產(chǎn)跟蹤的應(yīng)用中可能會(huì)有所幫助。并非巧合的是，這也為使用Bluetooth LE無線電以廣播方式傳輸音頻鋪平了道路。

在藍(lán)牙4.x中，不可連接的廣告事件（non-connectable advertising event）之間的最小允許間隔為100 ms，而藍(lán)牙5將其減少到20 ms。這稱為高占空比不可連接廣告（High Duty Cycle Non-ConnectableAdvertising）。如我們所討論的，較短的信標(biāo)間隔可以提供更好的定位精度和響應(yīng)時(shí)間，尤其是對于移動(dòng)物體。

最后，盡管不是直接改變廣告包格式，但藍(lán)牙5還增加了對掃描事件報(bào)告（scan event reporting）的支持。這允許廣告設(shè)備將掃描請求報(bào)告給主處理器（從另一設(shè)備接收廣告的后續(xù)響應(yīng)）。在肯定表示已成功聽到廣告的指示下，主機(jī)應(yīng)用可以采取適當(dāng)?shù)拇胧?，例如在一段時(shí)間內(nèi)關(guān)閉后續(xù)的廣告事件。這對于管理信標(biāo)資產(chǎn)標(biāo)簽中的電池壽命特別有利。

4高級信標(biāo)

藍(lán)牙5中的Bluetooth LE廣告機(jī)制實(shí)現(xiàn)的廣泛增強(qiáng)功能為更高級的信標(biāo)打開了無數(shù)的可能性。

明顯而直接的好處是，信標(biāo)可以利用較大的廣告包或鏈接的包，從而可以在廣告事件中提供更多內(nèi)容?？紤]當(dāng)前Eddystone格式的情況，該格式根據(jù)需要廣播的信息定義了4種不同的幀格式。雖然每種格式單獨(dú)使用仍然有好處，但如果將其中某些格式組合使用（例如將UID框架與URL和TLM框架組合在一起），效率也很高。信標(biāo)可以在1個(gè)信標(biāo)事件中發(fā)送其ID、上下文相關(guān)的URL和健康數(shù)據(jù)（溫度、電池電量、異常數(shù)據(jù)等）。由于不需要URL壓縮，Eddystone-URL信標(biāo)也可從較大的廣告包中受益。使用常規(guī)URL可以提高網(wǎng)絡(luò)安全性（縮短的URL能夠掩蓋惡意目標(biāo)地址并繞過內(nèi)容過濾器）。

前文強(qiáng)調(diào)了另一個(gè)好處——使用廣告數(shù)據(jù)集，單個(gè)物理信標(biāo)能夠支持多個(gè)信標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)，每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)具有不同的數(shù)據(jù)包時(shí)序和格式。由于新的PDU類型與傳統(tǒng)的PDU類型向后兼容，它們甚至可以支持將使用傳統(tǒng)廣告包（iBeacon，Eddystone，AltBeacon等）的信標(biāo)與基于新擴(kuò)展廣告的信標(biāo)混合。這意味著基于藍(lán)牙4.0信標(biāo)的現(xiàn)有應(yīng)用仍可與藍(lán)牙5信標(biāo)兼容，從而在升級到更多增強(qiáng)功能的同時(shí)實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)過渡。

通過卸載3個(gè)主廣告信道的通信量，利用次廣告信道的信標(biāo)使得每個(gè)使用Bluetooth LE的環(huán)境都將受益，無論是信標(biāo)還是其他方式。這有助于減少射頻沖突的可能性并提高可靠性，尤其是在同時(shí)使用信標(biāo)和藍(lán)牙m(xù)esh的設(shè)備中（如前所述），這些設(shè)備專門使用

3個(gè)主廣告信道進(jìn)行所有網(wǎng)絡(luò)通信。

要求遠(yuǎn)距離的信標(biāo)只是較大的信標(biāo)市場的一小部分，但是由于增加了對更高發(fā)射功率的支持，并增加了LE Coded PHY，藍(lán)牙5將使信標(biāo)范圍達(dá)到以前的4倍。這些對于在幾百米而不是幾十米的距離內(nèi)進(jìn)行測量的應(yīng)用非常重要，例如航空貨運(yùn)集裝箱跟蹤。

令人興奮且重要的是，藍(lán)牙5中的廣告擴(kuò)展不需要升級到新芯片。只要芯片具有足夠的內(nèi)存，沒有在ROM中預(yù)編程協(xié)議棧，并且支持固件更新，那么只需在現(xiàn)有硬件上進(jìn)行固件升級即可支持廣告擴(kuò)展。當(dāng)然，這取決于芯片供應(yīng)商，以及他們是否選擇使用其軟件開發(fā)工具在現(xiàn)有芯片上支持藍(lán)牙5功能。

5結(jié)論

藍(lán)牙SIG宣稱，相比以前版本，藍(lán)牙5實(shí)現(xiàn)了2倍的速度、4倍的范圍、8倍的廣播容量。所有這些增強(qiáng)功能都使信標(biāo)市場受益，尤其是廣告擴(kuò)展，它極大地?cái)U(kuò)展了信標(biāo)技術(shù)核心的廣告功能。此外，零售市場之外提供基于接近的服務(wù)的許多應(yīng)用仍處于試驗(yàn)階段，而普通公眾需要時(shí)間逐漸習(xí)慣于使用這些服務(wù)。盡管如此，市場潛力仍然很大，因此吸引了眾多競爭者。這將刺激創(chuàng)新的動(dòng)力，并借助現(xiàn)已構(gòu)建的模塊去實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙5高級信標(biāo)，早期采用者將很快成為市場上的真正“信標(biāo)”。