Joe?Tillison? （Silicon?Labs公司）
摘? 要：討論了藍牙5中添加的廣告擴展（advertising extension）和其他重要功能，這些功能可用于構建具有 擴展功能的第二代信標，從而支持更多功能豐富的接近感知（proximity-aware）應用。 

關鍵詞：信標；藍牙5；廣告擴展；接近感知

0  引言 

低功耗藍牙（Bluetooth LE）信標已經(jīng)在市場上 部署了幾年，并且已成為接近感知應用的領先技術選 擇。Bluetooth LE的低功耗和簡單性，再加上其在智 能手機中的普遍使用，可實現(xiàn)低成本、電池供電的信 標，并使信標能廣泛應用于智能手機應用程序中基于 位置的服務。到目前為止，Bluetooth LE信標依靠的是 最初在藍牙4.0中定義的廣告包結構，信標內(nèi)容被填充 到有限的31字節(jié)有效負載中。藍牙5為Bluetooth LE引 入了幾個主要增強功能，包括新PHY層和廣告擴展。 這些增強功能大大增加了廣告機制的功能性和靈活 性，包括更大的廣告包容量。 

在本文中，我們將簡要回顧信標基礎知識，然后 討論這些新的藍牙5功能以及它們?nèi)绾问沟诙艠?具有更完整、更豐富的內(nèi)容。本文推薦參考2016年無 線大會（Wireless Congress 2016）的介紹性文章，標 題為《使用低功耗藍牙技術開發(fā)信標》^[1]。

1  信標基礎概述 

1.1 什么是信標以及如何使用？ 

一般而言，信標是一種小型、廉價的無線設備， 通常由電池供電，使用低功耗藍牙技術來廣播其存 在。信標通常被描述為燈塔的射頻版本，反復廣播其 范圍內(nèi)其他設備可以識別的標識符。智能手機或平板 電腦可以使用信標的標識符來觸發(fā)基于信標接近度的操作。接近度的概念非常重要，因為信標不會直接提 供有關其確切物理位置的信息；接收信標的設備只會 知道它在信標附近。此外，信標也是可以移動的。 

需要注意的是，藍牙技術聯(lián)盟（SIG）沒有定義 信標標準。取而代之的是有來自大型操作系統(tǒng)提供商 的各種信標標準，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 標格式。 

1.2 兩種信標使用模式 

信標通常用于兩種情況。上面描述了第一種，也 是最常見的，即通過智能手機/平板電腦檢測放置在固 定位置或連接到可移動對象上的信標，并根據(jù)其接近 度觸發(fā)行為。一個示例是推薦與物理環(huán)境有關的Web 內(nèi)容，例如顯示公交車站的時刻表。另一個示例是通 過使用特意在大型設施（如機場或醫(yī)院）周圍安裝的 信標網(wǎng)絡提供室內(nèi)導航。 

第二種情況是使用固定的掃描器節(jié)點監(jiān)視標有信 標的對象在通過監(jiān)視區(qū)域時的狀態(tài)。掃描器通常是另 一個網(wǎng)絡的一部分，該網(wǎng)絡將這些信標ID報告給后臺 應用。該模型可應用于昂貴工具和設備的地理圍欄、 計數(shù)牲畜的移動或跟蹤貨物。 

1.3 接近感知示例應用 

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

iBeacon的最早應用專注于零售購物體驗。遍布整 個商店的信標允許相關應用程序根據(jù)用戶的購買歷史 和在商店中的位置向用戶顯示個性化消息。一些商店 通過信標顯示特價促銷品而吸引路人。如今，大多數(shù) 大型零售商要么正在積極使用信標，要么正在現(xiàn)場試 驗中對其進行測試以衡量ROI（投資回報率）。 

其他應用包括銷售終端系統(tǒng)，例如自動售貨機。 舉例來說，當顧客接近啟用信標的自動售貨機時，該 顧客的智能手機可以顯示指向網(wǎng)站的鏈接，該網(wǎng)站會 建議喜歡的商品或安全付款選項菜單。類似的應用案 例正在快餐速遞中試用。如果顧客已經(jīng)使用餐廳的應 用程序預先選擇了他們的訂單，則信標允許該應用程 序檢測他們何時到達餐廳以及停車的位置，以便準備 餐食。 

信標的商業(yè)用途也正在蓬勃發(fā)展。如上所述， 信標可用于跟蹤和管理重要資產(chǎn)，例如昂貴的電動 工具。具有信標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)。由于所有信標都 可以設計為同時支持常規(guī)Bluetooth LE數(shù)據(jù)服務（基于連接），因此除了信標本身以外，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)、工作時間和電機性能歷史記錄。這對于管理工 具的利用率和使用壽命具有顯著的意義。某些后臺系 統(tǒng)甚至可以通過使用另一位用戶收集的信標數(shù)據(jù)，在 所有者的范圍之外找到加標簽的資產(chǎn)。 

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

2  使用藍牙4.x的信標 

2.1 Bluetooth Low Energy 4.x廣告包 

Bluetooth LE規(guī)范版本4.x在（2.4～2.5）GHz ISM 頻段中定義了40個2 MHz寬的信道，其中保留了3個用于廣告的信道（信道37、38和39），其他37個是數(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31字節(jié)的有 效負載。4.2版本將數(shù)據(jù)信道有效負載增加到255個字 節(jié)，但保持廣告包不變。 

一個被完全利用的廣告包需要花費376 μs進行 傳輸。在進行廣告廣播時，會在所有3個廣告信道上 發(fā)送相同的包，以增加掃描器接收到其中1個的可能 性。因此，整個廣告事件通常要花費1 ms以上。 

信標通過利用Bluetooth LE的廣告信道來廣播已知 的信標標識符，從而有效工作。它們使用標準的廣告 包格式，但隨后進一步對有效負載進行子格式設置， 以遵循其預先設定的信標標準中的預定義結構。信標 標識符通常包括通用唯一標識符（UUID），該標識 符允許將單個信標與任何其他信標進行唯一性區(qū)分。 

在傳統(tǒng)的Bluetooth LE應用中，可連接的廣告包 會提供標識廣告節(jié)點的信息，并在其后跟隨一個偵聽 周期，在此期間掃描器可以請求訪問該節(jié)點的數(shù)據(jù)。 相比之下，信標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。同時支持信標和其他服務的混合設備可以交錯可 連接廣告包和不可連接包。傳輸?shù)陌愋陀蒔DU標頭 中的PDU類型字段標識，這是在保持向后兼容性的同 時添加藍牙5擴展廣告功能的關鍵。 

2.2 挑戰(zhàn)與局限 

Bluetooth LE 4.x版本信標的最大限制是較短的廣 告包長度。由于僅使用31字節(jié)的數(shù)據(jù)有效載荷，4.x 版本廣告包限制了信標可以提供的信息量。蘋果的 iBeacon使用此有限的有效載荷來提供唯一的信標ID。 Google的URIBeacon使用它來廣播指向Internet資源的 壓縮URL，Eddystone信標使用多種不同的幀類型來滿 足各種信標用例的需求。 

另一個挑戰(zhàn)來自創(chuàng)建支持多種格式的通用信標 的需求。假設有人想同時支持iBeacon和EddystoneUID，并且可能需要第三種專有格式的健康數(shù)據(jù)信標，而又不必使用3個不同的物理信標。想達到此目 的，設備需要分別對每個不同的信標進行廣播，并交 錯每個不同的格式。這樣可以從單個物理設備成功創(chuàng) 建多個虛擬信標，但是由于交錯是由活動處理器在應 用級別進行管理的，因此會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限制。在零售商店等密集 的信標環(huán)境中，短距離是可取的，因為它為接近服務 提供了更好的準確性。但是某些應用需要更遠的范 圍，例如大型大學、公司園區(qū)或機場。 

Bluetooth LE本身的成功是另一個新出現(xiàn)的挑戰(zhàn)。 這3個廣告信道變得越來越擁擠。在使用藍牙m(xù)esh的 環(huán)境中，這種情況尤其嚴重，藍牙m(xù)esh使用3個廣告 信道進行所有網(wǎng)狀網(wǎng)絡通信。

3  藍牙5增強功能 

藍牙5對低功耗標準的幾個要素進行了增強，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，并允許對廣告機制進行多次改變，這些統(tǒng)稱為廣 告擴展（Advertising Extension）功能。 所有這些增強 功能旨在保持與4.0版本標準的向后兼容性。 

1）2個新PHY 

添加了2個新的物理層定義，即以2 Mbps傳輸?shù)?LE 2M PHY和以125 kbps或500 kbps傳輸?shù)腖E Coded PHY。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）的應用提供顯著改善的用戶體驗。較高 的數(shù)據(jù)速率以射頻范圍為代價，覆蓋范圍降低了約 20％，但對功耗產(chǎn)生了有益的影響（因為無線電廣播 時間更短）。 

顧名思義，LE Coded PHY使用附加編碼和前向 糾錯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，有效地擴展了1M PHY范圍到之前 的2~4倍。然而，更遠的范圍是以吞吐率為代價的， 這是因為編碼器需要將每個數(shù)據(jù)位轉換為多個符號來進行射頻傳輸。由于無線電的廣播更長，因此Coded PHY也增加了功耗。 

2）10倍發(fā)射功率 

在藍牙5之前，Bluetooth LE發(fā)射功率被限制為最 大10 mW（+10 dBm），而在藍牙5的情況下，最大發(fā) 射功率增加到100 mW（+20 dBm）。但是，應該指出 的是，在某些地區(qū)，尤其是歐盟國家，如果不使用藍 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FHSS算法強制使用最 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個規(guī)格的聯(lián)合增強作用使Bluetooth LE發(fā)射 器的發(fā)射功率達到之前允許的10倍，覆蓋范圍達到原 始Bluetooth LE規(guī)范的2倍以上。 

3）廣告擴展 

藍牙5對從Bluetooth LE 4.0版本以來采用的簡單 廣告包進行了實質(zhì)性增強，其中包括： 

● 次廣告信道（Secondary Advertising Channel）； 

● 廣告包鏈（Advertising Packet Chaining）； 

● 廣告數(shù)據(jù)集（Advertising Data Set）； 

● 周期廣告（Periodic Advertising）； 

● 高占空比廣告（High Duty Cycle Advertising）。 

傳統(tǒng)的廣告包與數(shù)據(jù)包保持相同的結構，最大 數(shù)據(jù)有效載荷為31字節(jié)。但是，現(xiàn)在將3個原始廣 告信道定義為“主廣告信道”（Primary Advertising Channel），除了3個廣告信道之外，37個數(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 M和Coded PHY。 

所有Bluetooth LE廣告活動仍然從3個主廣告信道 開始。但是，為了實現(xiàn)增強的廣告功能，同時保持向 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。這個新包很 短，僅包含1個標頭，該標頭指示將在次廣告信道上 提供其余數(shù)據(jù)（使用新的擴展包格式）。它包含1個 指針，該指針指定將使用哪個信道和PHY，以及何 時發(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，而且還分擔了來自3個主廣告信道的流量。 

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鏈路層交錯多 個廣告事件，每個事件具有不同的廣告有效負載集， 且無需主機處理器參與。這些廣告事件中的每一個都 是Bluetooth LE狀態(tài)機中廣告狀態(tài)的單獨實例，并且每 個數(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）。這允許單個物理信標更優(yōu) 雅地支持遵循不同標準的多種類型的信標。將交錯任 務從主機處理器卸載到鏈路層可以釋放主機資源，并 可以更有效地支持多種信標格式。 

藍牙5還引入了在次廣告信道上的廣告事件之間 使用確定性計時的功能，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個隨機因素，以確保 任意2個設備不會因為射頻通道上的循環(huán)沖突而無意 間相互同步。借助周期廣告，掃描設備可以在已知的 固定定時間隔內(nèi)執(zhí)行掃描，更有效地管理射頻接收器 的活動時間，從而降低功耗。廣告設備在主廣告信道 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 告在使用信標標記進行資產(chǎn)跟蹤的應用中可能會有所 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。 

在藍牙4.x中，不可連接的廣告事件（nonconnectable advertising event）之間的最小允許間隔 為100 ms，而藍牙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-Connectable Advertising）。如我們所討論的^[1]，較短的信標間隔可 以提供更好的定位精度和響應時間，尤其是對于移動 物體。 

最后，盡管不是直接改變廣告包格式，但藍牙5 還增加了對掃描事件報告（scan event reporting）的支 持。這允許廣告設備將掃描請求報告給主處理器（從 另一設備接收廣告的后續(xù)響應）。在肯定表示已成功聽到廣告的指示下，主機應用可以采取適當?shù)拇胧?例如在一段時間內(nèi)關閉后續(xù)的廣告事件。這對于管理 信標資產(chǎn)標簽中的電池壽命特別有利。

4  高級信標 

藍牙5中的Bluetooth LE廣告機制實現(xiàn)的廣泛增強 功能為更高級的信標打開了無數(shù)的可能性。 

明顯而直接的好處是，信標可以利用較大的廣 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。信標可以在1個信標事件中 發(fā)送其ID、上下文相關的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)絡安全性（縮短的URL能夠掩 蓋惡意目標地址并繞過內(nèi)容過濾器）。 

前文強調(diào)了另一個好處——使用廣告數(shù)據(jù)集，單 個物理信標能夠支持多個信標標準，每個標準具有不 同的數(shù)據(jù)包時序和格式。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）的信標與 基于新擴展廣告的信標混合。這意味著基于藍牙4.0信 標的現(xiàn)有應用仍可與藍牙5信標兼容，從而在升級到 更多增強功能的同時實現(xiàn)平穩(wěn)過渡。 

通過卸載3個主廣告信道的通信量，利用次廣告 信道的信標使得每個使用Bluetooth LE的環(huán)境都將受 益，無論是信標還是其他方式。這有助于減少射頻沖 突的可能性并提高可靠性，尤其是在同時使用信標和 藍牙m(xù)esh的設備中（如前所述），這些設備專門使用 3個主廣告信道進行所有網(wǎng)絡通信。 

要求遠距離的信標只是較大的信標市場的一小部 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，藍牙5將使信標范圍達到以前的4 倍。這些對于在幾百米而不是幾十米的距離內(nèi)進行測量的應用非常重要，例 如航空貨運集裝箱跟蹤。 

令人興奮且重要的是，藍牙5中的廣告擴展不需 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)有硬件上進行固件升級即可支持廣告擴展。當然， 這取決于芯片供應商，以及他們是否選擇使用其軟件開 發(fā)工具在現(xiàn)有芯片上支持藍牙5功能。

5  結論 

藍牙SIG宣稱，相比以前版本，藍牙5實現(xiàn)了2倍的 速度、4倍的范圍、8倍的廣播容量。所有這些增強功能 都使信標市場受益，尤其是廣告擴展，它極大地擴展了 信標技術核心的廣告功能。此外，零售市場之外提供基于接近的服務的許多應用仍處于試驗階段，而普通公眾 需要時間逐漸習慣于使用這些服務。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 動力，并借助現(xiàn)已構建的模塊去實現(xiàn)藍牙5高級信標， 早期采用者將很快成為市場上的真正“信標”。

參考文獻： 

[1] TILLISON J.使用低功耗藍牙技術開發(fā)信標[C].無線大會2016 （Wireless Congress 2016）. 

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[4] Woolley. 藍牙5：更快，更進一步[EB/OL]. 鏈接：https:// www.bluetooth.com/bluetooth-technology/ bluetooth5/bluetooth5-paper. 

[5] Eddystone協(xié)議規(guī)范[EB/OL].https:// github.com/google/eddystone/blob/master/ protocolspecification.md.