新蓝牙6.0协议扩展应用范围

作者：Parker Dorris，Silicon Labs（芯科科技）蓝牙产品经理

芯科科技蓝牙产品经理Parker Dorris通过本文讨论了蓝牙6.0（Bluetooth 6.0）版本中添加的最新功能。

自蓝牙1.0版本规范出现以来的25年里，蓝牙技术已经增加了多项功能，这些增加的功能为众多新型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的发布以及它们带来的变化，这一技术的演进还在继续。在未来几年，蓝牙的创新将为家庭、零售、分销和工业自动化领域的用户带来崭新的应用。

关于将蓝牙功能扩展到新应用这方面的创新，一个重要的例子是使用新的蓝牙信道探测（Bluetooth Channel Sounding）协议来支持安全且精细的测距。该协议允许在彼此无线覆盖范围内的两台设备以安全、准确的方式确定它们之间的距离，这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都可以通过检测从其他设备传来的广告来进行存在检测（presence detection），然后分析射频信号强度并将其转换为距离信息，但测距精度仅在±5米左右。除了基本的存在检测，以及粗略和精细的距离测量外，蓝牙标准还支持使用到达角（AoA）和出发角（AoD）测量技术进行测向。

蓝牙信道探测

承上所述，新的蓝牙信道探测技术可在蓝牙6.0设备之间实现安全精细的测距。该新协议可以利用蓝牙的80 MHz带宽和多信道特性，在全频率范围内进行音调（tone）测量和往返时间（round-trip-time）测量。这个过程从“发起者”设备和“反射者”设备开启蓝牙连接开始，先基于功能比较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信道发送音调或数据包，反射者则通过将数据发回给发起者来进行响应。数据包的往返时间以及发送和接收的音调之间的相位差都可以用来确定距离。

通过加密的蓝牙连接进行传输、数据包上的时间戳以及其他安全功能有助于防止其他节点进行欺骗应答并向发起者提供错误的距离估计。

在许多现实环境中，使用包括相位测量在内的信道探测技术进行精细测距时，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、家庭和零售等环境中有许多应用，例如用于无钥匙进入、资产追踪和基础设施定位。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，为获得正确授权的用户开门；如果用户在敏感区域停留太长时间，则会发出警报。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，系统才会开门。

蓝牙Mesh扩展功能

蓝牙Mesh 1.1引入了几项新功能，旨在降低网络设置和维护的复杂性与成本，并增强性能、安全性和可扩展性。新的蓝牙Mesh标准的亮点总结如下：

远程配置（Remote Provisioning）支持从一个位置将多个新设备添加到网络中，这对于大规模部署特别有用。在该标准以前的版本中，需要在设备的无线电范围内进行配置，这意味着需要一个人来调试设备。

基于证书的配置（Certificate-Based Provisioning）通过在配置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，从而提供了额外的安全层。这在与远程配置结合使用时特别有用，因为它可以最少的用户交互实现设备的安全批量调试。

Mesh设备固件更新（DFU）功能标准化了蓝牙Mesh网络中的固件更新程序，并允许Mesh网络中的设备固件进行高效的无线（OTA）更新。该标准还定义了一个BLOB（Binary Large Object，二进制大对象）协议，该协议使用多播和单播消息传递来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）功能保留了纳入子网的能力，以实现区域隔离，同时简化网络复杂性。由于每个子网都使用唯一的安全密钥，因此子网桥接可以提高网络的安全性，又因为在默认情况下，消息不会在子网之间转发，还可以提高网络的效率。

定向转发（Directed Forwarding）功能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标准中还包含了其他多项小的功能改进，以提高技术的性能、可用性或安全性。

这些更新使蓝牙Mesh 1.1成为一个更强大、更通用的解决方案，可用于广泛的应用场景，从智能家居到大型商业建筑和工业环境，等等。

大规模、超低功耗星型网络

带响应的周期性广播（PAwR）是蓝牙的另一项功能，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适合大多数节点都是相对简单的固定元件的情况，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（Subevent），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32000个外围设备。

虽然PAwR是为主要通信模式为一对多的网络而设计的，但是它支持双向通信，而子事件的使用以一种节能的方式实现了这一点。这使得PAwR特别适合功耗预算非常有限的ESL设备。当管理节点需要更新群组中的ESL时，它会发出子事件消息。与该子事件关联的每个节点都有一个设计好的时段（slot），它们可以在这个时段进行回复（可能是一段消息），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，让管理员知道它的电池电量即将耗尽。通过这种时间同步的机制，ESL可以在其预期会被完全唤醒的时段之外关闭它的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，它们可以返回到节能的PAwR模式。

尽管零售业是PAwR的一个主要市场，但还有其他情况也可以从这种面向ESL的设计中受益。其中一个例子就是资产管理，在这类场景中，中央服务器需要对资产保持追踪，例如仓库中的货盘或生产线环境中的产品运输工具车。

为了确保PAwR协议能够在现实场景中工作，芯科科技基于一个设备群（拥有500多台支持PAwR的设备）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PAwR协议可以在ESL设备上将电池续航时间维持到什么程度。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。

上述这些增加到最新蓝牙标准中的新功能展示了该无线协议的活力，以及原始设备制造商（OEM）和集成商在为其系统开发硬件时采用最新芯片的价值。