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(wú)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(wú)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(wú)線技術(shù)填補(bǔ)空白
在研究人員視藍(lán)牙低功耗無(wú)線技術(shù)(ULP藍(lán)牙)為新的希望之前，想把無(wú)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(wú)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(wú)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(wú)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(wàn)計(jì)的無(wú)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(wú)線桌面協(xié)議(WDP)用在無(wú)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(wú)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(wú)線技術(shù)所針對(duì)的客戶。
擴(kuò)大無(wú)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(yíng)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(wú)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(wú)線PAN的中心，協(xié)調(diào)無(wú)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(wú)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(wú)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(wú)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(wú)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(wú)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(wú)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?cǎi){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(wú)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(wú)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(wú)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(wú)線技術(shù)的一個(gè)主要市場(chǎng)，相信這令人振奮的新型無(wú)線技術(shù)將隨2008年奧運(yùn)會(huì)一起走向全球市場(chǎng)。
