行家分享：多维度解析蓝牙6.0信道探测、Mesh和低功耗设计优势

时间： 2024-10-22 来源：Silicon Labs公众号

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SILICON LABS（芯科科技）蓝牙产品经理Parker Dorris先生将通过本文精辟介绍蓝牙6.0版本中添加的最新特性，并探讨包括信道探测（Channel Sounding）、蓝牙Mesh 1.1，以及有助于降低功耗的带响应周期性广告（PAwR）等相关新功能为开发人员带来的好处。

自蓝牙1.0版本规范出现以来的25年里，蓝牙技术获得了许多功能提升，并为各种应用和市场开辟了道路。随着最新蓝牙核心规范6.0版本和蓝牙Mesh的发布，此一技术演变还在继续。在未来几年，蓝牙的创新将为家庭、零售、分销和工业自动化用户带来崭新的应用。

一个创新的例子是使用蓝牙信道探测来支持安全且精细的测距（Ranging）。该协议允许两个设备在无线范围内相互以安全、准确的方式来确定它们之间的距离，进一步增强了低功耗蓝牙（Bluetooth LE）中已经存在的位置服务和定位功能。

大多数现有蓝牙设备可以通过检测来自其他设备的传入广告，分析射频信号强度并将其转换为距离来进行存在检测，但测距精度仅在±5m左右。除了基本的存在检测，以及距离测量，新的信道探测技术还支持使用到达角（AoA）和出发角（AoD）测量技术的测向。

蓝牙信道探测提供亚米级定位精度

承上所述，蓝牙信道探测可用于获取蓝牙6.0设备之间的精确范围。新协议利用80MHz带宽和蓝牙的多通道特性，在全频率范围内实现tone和往返时间（round-trip-time）测量。这个过程从“发起者”设备和“反射者”设备打开蓝牙连接开始，在基础上就测量配置达成一致，然后执行测距程序。

在信道探测过程中，发起者通过指定的2.4 GHz信道发送tone或数据包，反射器通过将数据发送回发起者进行响应。分组的往返时间和发送和接收的tone之间的相位差都用来确定距离。

通过加密的蓝牙连接进行传输、数据包上的时间戳和其他安全特性有助于防止其他节点欺骗应答并向发起者提供错误的距离估计。

在现实环境中，使用包括相位测量在内的信道探测进行精细测距，在小于5米的范围内可以提供±0.3米的精度，在大于5米的范围内可以提供±0.5米的精度。

蓝牙信道探测在工业、家庭和零售环境中有许多应用，例如用于无钥匙进入、资产跟踪和基础设施定位。信道探测的准确性使其适用于基于地理围栏的安全策略，在用户接近时打开正确授权的门，如果他们在敏感区域停留太长时间就会发出警报。类似的原理也适用于汽车和房屋的无钥匙进入，只有当主人进入近距离时，系统才会打开门。

蓝牙网状网络增强性能、安全性和可扩展性

蓝牙Mesh 1.1引入了几个新特性，旨在降低网络设置和维护的复杂性和成本，并增强性能、安全性和可扩展性。新的蓝牙Mesh标准亮点总结如下：

远程配置（Remote Provisioning）允许从单个位置将新设备添加到网络中，这对于大规模部署特别有用。在以前的标准版本中，需要在设备的无线电范围内进行供应，这意味着需要一个人来调试设备。

基于证书的配置（Certificate-Based Provisioning）通过在发放过程中使用数字证书对设备进行认证来增强安全性。它确保只有授权的设备才能加入网络，提供额外的安全层。这在与远程配置结合使用时特别有用，因为它可以以最少的用户交互实现设备的安全批量调试。

Mesh Device Firmware Update (DFU) 功能标准化了蓝牙Mesh网络中的固件更新过程，并允许Mesh网络中设备固件的高效空中（OTA）更新。该标准还定义了一个BLOB (Binary Large Object) 协议，使用多播和单播消息传递将固件有效地传递到要更新的节点。此功能对于维护大型网络特别有用，例如用于商业楼宇自动化的网络。

子网桥接（Subnet Bridging ）功能保留了包括子网的能力，以实现区域隔离，同时简化网络复杂性。由于每个子网使用唯一的安全密钥，因此子网桥接既提高了网络的安全性，又提高了网络的效率。在默认情况下，消息不会在子网之间转发。

定向转发（Directed Forwarding）特性允许中继节点创建从源到目的地的直接路径，从而提高了消息传递效率。这种多跳方法减少了所需的跳数，从而提高了网络性能。

在新的蓝牙Mesh 1.1标准中还包含了多个其他小功能改进，以提高技术的性能、可用性或安全性，使该协议成为一个更强大和通用的解决方案，适用于从智能家居到大型商业建筑和工业环境的广泛应用。

大规模、超低功耗的星型网络

带响应的周期性广告（PAwR）是蓝牙6.0的另一个特性，它通过启用无连接的双向通信来提高大型蓝牙网络的通信效率。PAwR适用于大多数节点都是相对简单的固定元素的情况，例如目前在零售店使用的电子货架标签（ESL）显示单元。通过标准化的蓝牙ESL配置文件和服务，PAwR可以设置为支持多达128个PAwR子事件（subevents），每个子事件最多可寻址255个唯一设备。这使得网络规模可以超过32,000个外设设备。

虽然设计用于主要通信模式为一对多的网络，但PAwR允许双向通信，使用子事件以节能的方式实现了这一目标。这使得PAwR非常适合功率预算非常有限的ESL设备。当管理节点需要更新组中的ESL时，它会发出子事件消息。附加到该子事件的每个节点都有一个设计的时段（slot），它们可以在其中回复（可能是一段信息），以确认已经应用了更新的价格。

或者，它可能会借此机会发送警报，让管理员知道电池快没电了。通过这种时间同步机制，ESL可以在预期完全清醒时关闭其无线发射器和其他功能。对于固件更新等情况，节点可以利用蓝牙连接获得更高的数据吞吐量。之后可以返回到节能的PAwR模式。

尽管零售代表了PAwR的一个关键市场，但还有其他情况可以从这种设计中受益。一个例子是资产管理，其中中央服务器需要跟踪资产，例如仓库中的托盘或生产线环境中的产品载体。

为了确保PAwR协议能够在现实场景中工作，芯科科技在一个拥有500多个支持PAwR的设备群上进行了广泛的测试，以确定在停电中断同步后网络的恢复情况。测试还显示了该协议可以在ESL设备上保持电池寿命的程度。测试表明，通过改变PAwR间隔时间，PAwR能够在响应性和超低功耗之间取得平衡。

上述这些添加到最新蓝牙标准的内容展示了该协议的活力本质，以及OEM和集成商在为其系统开发硬件时采用最新芯片的价值。

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