新藍(lán)牙6.0協(xié)議擴展應(yīng)用范圍

作者：Parker Dorris，Silicon Labs（芯科科技）藍(lán)牙產(chǎn)品經(jīng)理

芯科科技藍(lán)牙產(chǎn)品經(jīng)理Parker Dorris通過本文討論了藍(lán)牙6.0（Bluetooth 6.0）版本中添加的最新功能。

自藍(lán)牙1.0版本規(guī)范出現(xiàn)以來的25年里，藍(lán)牙技術(shù)已經(jīng)增加了多項功能，這些增加的功能為眾多新型應(yīng)用和市場開辟了道路。隨著最新藍(lán)牙核心規(guī)范6.0版本和藍(lán)牙Mesh的發(fā)布以及它們帶來的變化，這一技術(shù)的演進還在繼續(xù)。在未來幾年，藍(lán)牙的創(chuàng)新將為家庭、零售、分銷和工業(yè)自動化領(lǐng)域的用戶帶來嶄新的應(yīng)用。

關(guān)于將藍(lán)牙功能擴展到新應(yīng)用這方面的創(chuàng)新，一個重要的例子是使用新的藍(lán)牙信道探測（Bluetooth Channel Sounding）協(xié)議來支持安全且精細(xì)的測距。該協(xié)議允許在彼此無線覆蓋范圍內(nèi)的兩臺設(shè)備以安全、準(zhǔn)確的方式確定它們之間的距離，這進一步增強了低功耗藍(lán)牙（Bluetooth LE）中已經(jīng)存在的位置服務(wù)和定位功能。

大多數(shù)現(xiàn)有藍(lán)牙設(shè)備都可以通過檢測從其他設(shè)備傳來的廣告來進行存在檢測（presence detection），然后分析射頻信號強度并將其轉(zhuǎn)換為距離信息，但測距精度僅在±5米左右。

除了基本的存在檢測，以及粗略和精細(xì)的距離測量外，藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)還支持使用到達角（AoA）和出發(fā)角（AoD）測量技術(shù)進行測向。

藍(lán)牙信道探測

承上所述，新的藍(lán)牙信道探測技術(shù)可在藍(lán)牙6.0設(shè)備之間實現(xiàn)安全精細(xì)的測距。該新協(xié)議可以利用藍(lán)牙的80 MHz帶寬和多信道特性，在全頻率范圍內(nèi)進行音調(diào)（tone）測量和往返時間（round-trip-time）測量。這個過程從“發(fā)起者”設(shè)備和“反射者”設(shè)備開啟藍(lán)牙連接開始，先基于功能比較就測量配置達成一致，然后執(zhí)行測距程序。

在信道探測過程中，發(fā)起者通過指定的2.4 GHz信道發(fā)送音調(diào)或數(shù)據(jù)包，反射者則通過將數(shù)據(jù)發(fā)回給發(fā)起者來進行響應(yīng)。數(shù)據(jù)包的往返時間以及發(fā)送和接收的音調(diào)之間的相位差都可以用來確定距離。

通過加密的藍(lán)牙連接進行傳輸、數(shù)據(jù)包上的時間戳以及其他安全功能有助于防止其他節(jié)點進行欺騙應(yīng)答并向發(fā)起者提供錯誤的距離估計。

在許多現(xiàn)實環(huán)境中，使用包括相位測量在內(nèi)的信道探測技術(shù)進行精細(xì)測距時，在小于5米的范圍內(nèi)可以提供±0.3米的精度，在大于5米的范圍內(nèi)可以提供±0.5米的精度。

藍(lán)牙信道探測在工業(yè)、家庭和零售等環(huán)境中有許多應(yīng)用，例如用于無鑰匙進入、資產(chǎn)追蹤和基礎(chǔ)設(shè)施定位。信道探測的準(zhǔn)確性使其適用于基于地理圍欄的安全策略，在用戶接近時，為獲得正確授權(quán)的用戶開門；如果用戶在敏感區(qū)域停留太長時間，則會發(fā)出警報。類似的原理也適用于汽車和房屋的無鑰匙進入，只有當(dāng)主人進入近距離時，系統(tǒng)才會開門。

藍(lán)牙Mesh擴展功能

藍(lán)牙Mesh 1.1引入了幾項新功能，旨在降低網(wǎng)絡(luò)設(shè)置和維護的復(fù)雜性與成本，并增強性能、安全性和可擴展性。新的藍(lán)牙Mesh標(biāo)準(zhǔn)的亮點總結(jié)如下：

遠(yuǎn)程配置（Remote Provisioning）支持從一個位置將多個新設(shè)備添加到網(wǎng)絡(luò)中，這對于大規(guī)模部署特別有用。在該標(biāo)準(zhǔn)以前的版本中，需要在設(shè)備的無線電范圍內(nèi)進行配置，這意味著需要一個人來調(diào)試設(shè)備。

基于證書的配置（Certificate-Based Provisioning）通過在配置過程中使用數(shù)字證書對設(shè)備進行認(rèn)證來增強安全性。它確保只有授權(quán)的設(shè)備才能加入網(wǎng)絡(luò)，從而提供了額外的安全層。這在與遠(yuǎn)程配置結(jié)合使用時特別有用，因為它可以最少的用戶交互實現(xiàn)設(shè)備的安全批量調(diào)試。

Mesh設(shè)備固件更新（DFU）功能標(biāo)準(zhǔn)化了藍(lán)牙Mesh網(wǎng)絡(luò)中的固件更新程序，并允許Mesh網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備固件進行高效的無線（OTA）更新。該標(biāo)準(zhǔn)還定義了一個BLOB（Binary Large Object，二進制大對象）協(xié)議，該協(xié)議使用多播和單播消息傳遞來將固件有效地傳遞到要更新的節(jié)點。此功能對于維護大型網(wǎng)絡(luò)特別有用，例如用于商業(yè)樓宇自動化的網(wǎng)絡(luò)。

子網(wǎng)橋接（Subnet Bridging）功能保留了納入子網(wǎng)的能力，以實現(xiàn)區(qū)域隔離，同時簡化網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜性。由于每個子網(wǎng)都使用唯一的安全密鑰，因此子網(wǎng)橋接可以提高網(wǎng)絡(luò)的安全性，又因為在默認(rèn)情況下，消息不會在子網(wǎng)之間轉(zhuǎn)發(fā)，還可以提高網(wǎng)絡(luò)的效率。

定向轉(zhuǎn)發(fā)（Directed Forwarding）功能允許中繼節(jié)點創(chuàng)建從源到目的地的直接路徑，從而提高了消息傳遞效率。這種多跳方法減少了所需的跳數(shù)，從而提高了網(wǎng)絡(luò)性能。

在新的藍(lán)牙Mesh 1.1標(biāo)準(zhǔn)中還包含了其他多項小的功能改進，以提高技術(shù)的性能、可用性或安全性。

這些更新使藍(lán)牙Mesh 1.1成為一個更強大、更通用的解決方案，可用于廣泛的應(yīng)用場景，從智能家居到大型商業(yè)建筑和工業(yè)環(huán)境，等等。

大規(guī)模、超低功耗星型網(wǎng)絡(luò)

帶響應(yīng)的周期性廣播（PAwR）是藍(lán)牙的另一項功能，它通過啟用無連接的雙向通信來提高大型藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)的通信效率。PAwR適合大多數(shù)節(jié)點都是相對簡單的固定元件的情況，例如目前在零售店使用的電子貨架標(biāo)簽（ESL）顯示單元。通過標(biāo)準(zhǔn)化的藍(lán)牙ESL配置文件和服務(wù)，PAwR可以設(shè)置為支持多達128個PAwR子事件（Subevent），每個子事件最多可尋址255個唯一設(shè)備。這使得網(wǎng)絡(luò)規(guī)模可以超過32000個外圍設(shè)備。

雖然PAwR是為主要通信模式為一對多的網(wǎng)絡(luò)而設(shè)計的，但是它支持雙向通信，而子事件的使用以一種節(jié)能的方式實現(xiàn)了這一點。這使得PAwR特別適合功耗預(yù)算非常有限的ESL設(shè)備。當(dāng)管理節(jié)點需要更新群組中的ESL時，它會發(fā)出子事件消息。與該子事件關(guān)聯(lián)的每個節(jié)點都有一個設(shè)計好的時段（slot），它們可以在這個時段進行回復(fù)（可能是一段消息），以確認(rèn)已經(jīng)應(yīng)用了更新的價格。

或者，它可能會借此機會發(fā)送警報，讓管理員知道它的電池電量即將耗盡。通過這種時間同步的機制，ESL可以在其預(yù)期會被完全喚醒的時段之外關(guān)閉它的無線發(fā)射器和其他功能。對于固件更新等情況，節(jié)點可以利用藍(lán)牙連接獲得更高的數(shù)據(jù)吞吐量。之后，它們可以返回到節(jié)能的PAwR模式。

盡管零售業(yè)是PAwR的一個主要市場，但還有其他情況也可以從這種面向ESL的設(shè)計中受益。其中一個例子就是資產(chǎn)管理，在這類場景中，中央服務(wù)器需要對資產(chǎn)保持追蹤，例如倉庫中的貨盤或生產(chǎn)線環(huán)境中的產(chǎn)品運輸工具車。

為了確保PAwR協(xié)議能夠在現(xiàn)實場景中工作，芯科科技基于一個設(shè)備群（擁有500多臺支持PAwR的設(shè)備）進行了廣泛的測試，以確定在停電中斷同步后網(wǎng)絡(luò)的恢復(fù)情況。測試還顯示了PAwR協(xié)議可以在ESL設(shè)備上將電池續(xù)航時間維持到什么程度。測試表明，通過改變PAwR間隔時間，PAwR能夠在響應(yīng)性和超低功耗之間取得平衡。

上述這些增加到最新藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)中的新功能展示了該無線協(xié)議的活力，以及原始設(shè)備制造商（OEM）和集成商在為其系統(tǒng)開發(fā)硬件時采用最新芯片的價值。