Joe Tillison （Silicon Labs公司）
摘 要：评论了蓝牙5中添加的广告扩展（advertising extension）和其他重要功用，这些功用可用于构建具有 扩展功用的第二代信标，然后支撑更多功用丰厚的挨近感知（proximity-aware）运用。
要害词：信标；蓝牙5；广告扩展；挨近感知
0 导言
低功耗蓝牙（Bluetooth LE）信标现已在商场上 布置了几年，而且已成为挨近感知运用的抢先技能选 择。Bluetooth LE的低功耗和简略性，再加上其在智 能手机中的遍及运用，可完成低成本、电池供电的信 标，并使信标能广泛运用于智能手机运用程序中依据 方位的服务。到目前为止，Bluetooth LE信标依托的是 开端在蓝牙4.0中界说的广告包结构，信标内容被填充 到有限的31字节有用负载中。蓝牙5为Bluetooth LE引 入了几个首要增强功用，包含新PHY层和广告扩展。 这些增强功用大大添加了广告机制的功用性和灵敏 性，包含更大的广告包容量。
在本文中，咱们将扼要回忆信标根底知识，然后 评论这些新的蓝牙5功用以及它们怎么使第二代信标 具有更完好、更丰厚的内容。本文引荐参阅2016年无 线大会（Wireless Congress 2016）的介绍性文章，标 题为《运用低功耗蓝牙技能开发信标》[1]。
1 信标根底概述
1.1 什么是信标以及怎么运用？
一般来说，信标是一种小型、廉价的无线设备， 一般由电池供电，运用低功耗蓝牙技能来播送其存 在。信标一般被描绘为灯塔的射频版别，重复播送其 规模内其他设备能够辨认的标识符。智能手机或平板 电脑能够运用信标的标识符来触发依据信标挨近度的操作。挨近度的概念非常重要，因为信标不会直接提 供有关其切当物理方位的信息；接纳信标的设备只会 知道它在信标邻近。此外，信标也是能够移动的。
需求留意的是，蓝牙技能联盟（SIG）没有界说 信标标准。取而代之的是有来自大型操作体系供给商 的各种信标标准，例如苹果公司的iBeacon和Google的 开源Eddystone，而且还有许多用于封闭体系的专有信 标格局。
1.2 两种信标运用方法
信标一般用于两种状况。上面描绘了第一种，也 是最常见的，即经过智能手机/平板电脑检测放置在固 定方位或衔接到可移动方针上的信标，并依据其挨近 度触发行为。一个示例是引荐与物理环境有关的Web 内容，例如显现公交车站的时刻表。另一个示例是通 过运用特意在大型设备（如机场或医院）周围装置的 信标网络供给室内导航。
第二种状况是运用固定的扫描器节点监督标有信 标的方针在经过监督区域时的状况。扫描器一般是另 一个网络的一部分，该网络将这些信标ID陈述给后台 运用。该模型可运用于贵重东西和设备的地舆围栏、 计数家畜的移动或盯梢货品。
1.3 挨近感知示例运用
上述两种运用场景都依赖于挨近感知。在第一种 状况下，用户的智能手机挨近信标。在第二种状况 下，信标挨近信标扫描节点。在零售和商业范畴都可发现两种方法的运用。
iBeacon的最早运用专心于零售购物体会。遍及整 个商铺的信标答应相关运用程序依据用户的购买前史 和在商铺中的方位向用户显现个性化音讯。一些商铺 经过信标显现特价促销品而招引路人。现在，大多数 大型零售商要么正在活跃运用信标，要么正在现场试 验中对其进行测试以衡量ROI（出资回报率）。
其他运用包含出售终端体系，例如主动售货机。 举例来说，当顾客挨近启用信标的主动售货机时，该 顾客的智能手机能够显现指向网站的链接，该网站会 主张喜爱的产品或安全付款选项菜单。相似的运用案 例正在快餐速递中试用。假如顾客现已运用餐厅的应 用程序预先挑选了他们的订单，则信标答应该运用程 序检测他们何时抵达餐厅以及泊车的方位，以便预备 餐食。
信标的商业用途也正在蓬勃发展。如上所述， 信标可用于盯梢和办理重要财物，例如贵重的电动 东西。具有信标功用的东西能够守时播送“我在这 里”，以便库存办理体系能够确认它何时坐落东西箱 中、车间中，仍是底子不在规模内。因为一切信标都 能够规划为一起支撑惯例Bluetooth LE数据服务（依据衔接），因而除了信标自身以外，它们还能够兼并其 他有用的功用，例如，库存体系能够读取东西的电池 状况、作业时刻和电机功用前史记录。这关于办理工 具的运用率和运用寿数具有明显的含义。某些后台系 统乃至能够经过运用另一位用户搜集的信标数据，在 一切者的规模之外找到加标签的财物。
跟着蓝牙mesh在商业照明运用中的遍及，具有吸 引力的信标新运用正在鼓起。照明供货商开端意识到 在每个灯具中集成依据mesh的照明控件和集成信标 （或信标扫描器）以供给其他服务的协同效应，例如 室内导航或盯梢库房中的货箱或货盘。
2 运用蓝牙4.x的信标
2.1 Bluetooth Low Energy 4.x广告包
Bluetooth LE标准版别4.x在（2.4～2.5）GHz ISM 频段中界说了40个2 MHz宽的信道，其间保留了3个用于广告的信道（信道37、38和39），其他37个是数 据信道（0~36）。广告包和数据包都运用具有可变大 小有用载荷的相同格局，而且仅经过所运用的信道来 区别。广告包以明码方法发送，数据信道能够加密。 在4.0版别中，广告包和数据包都具有最大31字节的有 效负载。4.2版别将数据信道有用负载添加到255个字 节，但坚持广告包不变。
一个被彻底运用的广告包需求花费376 µs进行 传输。在进行广告播送时，会在一切3个广告信道上 发送相同的包，以添加扫描器接纳到其间1个的或许 性。因而，整个广告事情一般要花费1 ms以上。
信标经过运用Bluetooth LE的广告信道来播送已知 的信标标识符，然后有用作业。它们运用标准的广告 包格局，但随后进一步对有用负载进行子格局设置， 以遵从其预先设定的信标标准中的预界说结构。信标 标识符一般包含通用仅有标识符（UUID），该标识 符答应将单个信标与任何其他信标进行仅有性区别。
在传统的Bluetooth LE运用中，可衔接的广告包 会供给标识广告节点的信息，并在这以后跟从一个侦听 周期，在此期间扫描器能够恳求拜访该节点的数据。 比较之下，信标一般运用不行衔接的广告，播送但从 不侦听，因而它们在广告包自身供给了一切有用的信 息。一起支撑信标和其他服务的混合设备能够交织可 衔接广告包和不行衔接包。传输的包类型由PDU标头 中的PDU类型字段标识，这是在坚持向后兼容性的同 时添加蓝牙5扩展广告功用的要害。
2.2 应战与约束
Bluetooth LE 4.x版别信标的最大约束是较短的广 告包长度。因为仅运用31字节的数据有用载荷，4.x 版别广告包约束了信标能够供给的信息量。苹果的 iBeacon运用此有限的有用载荷来供给仅有的信标ID。 Google的URIBeacon运用它来播送指向Internet资源的 紧缩URL，Eddystone信标运用多种不同的帧类型来满 足各种信标用例的需求。
另一个应战来自创立支撑多种格局的通用信标 的需求。假定有人想一起支撑iBeacon和EddystoneUID，而且或许需求第三种专有格局的健康数据信标，而又不用运用3个不同的物理信标。想到达此目 的，设备需求分别对每个不同的信标进行播送，并交 错每个不同的格局。这样能够从单个物理设备成功创 建多个虚拟信标，可是因为交织是由活动处理器在应 用等级进行办理的，因而会在有限的电池资源上形成 更快的耗费。
掩盖规模也或许是一个约束。在零售商铺等密布 的信标环境中，短间隔是可取的，因为它为挨近服务 供给了更好的准确性。可是某些运用需求更远的范 围，例如大型大学、公司园区或机场。
Bluetooth LE自身的成功是另一个新出现的应战。 这3个广告信道变得越来越拥堵。在运用蓝牙mesh的 环境中，这种状况特别严峻，蓝牙mesh运用3个广告 信道进行一切网状网络通信。
3 蓝牙5增强功用
蓝牙5对低功耗标准的几个要素进行了增强，包 括初次为LE无线电供给了新的PHY界说。它还为跳频 算法添加了代替信道挑选计划，供给了更高的发射功 率，并答应对广告机制进行屡次改动，这些统称为广 告扩展（Advertising Extension）功用。 一切这些增强 功用旨在坚持与4.0版别标准的向后兼容性。
1）2个新PHY
添加了2个新的物理层界说，即以2 Mbps传输的 LE 2M PHY和以125 kbps或500 kbps传输的LE Coded PHY。LE 2M PHY将从前的1 Mbps数据速率进步了1 倍，这是4.0版别中原始Bluetooth LE标准的一部分。 由此发生的更高吞吐量可为空中传输很多数据（例如 固件更新）的运用供给明显改进的用户体会。较高 的数据速率以射频规模为价值，掩盖规模下降了约 20％，但对功耗发生了有利的影响（因为无线电播送 时刻更短）。
望文生义，LE Coded PHY运用附加编码和前向 纠错功用来改进接纳器端的牢靠信号接纳。运用2种 可选的编码计划，有用地扩展了1M PHY规模到之前 的2~4倍。可是，更远的规模是以吞吐率为价值的， 这是因为编码器需求将每个数据位转换为多个符号来进行射频传输。因为无线电的播送更长，因而Coded PHY也添加了功耗。
2）10倍发射功率
在蓝牙5之前，Bluetooth LE发射功率被约束为最 大10 mW（+10 dBm），而在蓝牙5的状况下，最大发 射功率添加到100 mW（+20 dBm）。可是，应该指出 的是，在某些地区，特别是欧盟国家，假如不运用蓝 牙5中添加的新信道挑选算法（CSA＃2），则无法使 用+20 dBm。CSA＃2对自适应FHSS算法强制运用最 小信道数，以保证射频功率频谱密度坚持在规则限值 以下。这2个标准的联合增强效果使Bluetooth LE发射 器的发射功率到达之前答应的10倍，掩盖规模到达原 始Bluetooth LE标准的2倍以上。
3）广告扩展
蓝牙5对从Bluetooth LE 4.0版别以来选用的简略 广告包进行了实质性增强，其间包含：
● 次广告信道（Secondary Advertising Channel）；
● 广告包链（Advertising Packet Chaining）；
● 广告数据集（Advertising Data Set）；
● 周期广告（Periodic Advertising）；
● 高占空比广告（High Duty Cycle Advertising）。
传统的广告包与数据包坚持相同的结构，最大 数据有用载荷为31字节。可是，现在将3个原始广 告信道界说为“主广告信道”（Primary Advertising Channel），除了3个广告信道之外，37个数据信道也 能够用于广告。这些被界说为次广告信道。次广告信 道能够承载更大的数据有用载荷，最大254字节，并 能够运用任何PHY，包含新的2 M和Coded PHY。
一切Bluetooth LE广告活动依然从3个主广告信道 开端。可是，为了完成增强的广告功用，一起坚持向 后兼容性，添加了新的广告PDU类型，其间包含一 种用于主广告信道上的新式广告包类型。这个新包很 短，仅包含1个标头，该标头指示将在次广告信道上 供给其他数据（运用新的扩展包格局）。它包含1个 指针，该指针指定将运用哪个信道和PHY，以及何 时发送新包。这种组织供给了额定的优点，不只支撑 更大的广告包，而且还分管了来自3个主广告信道的流量。
用于次广告信道的较大广告包能够包含指向另一 个信道上的后续广告包的指针（运用同一PHY）。这 被称为广告包链，它答应创立乃至大于254字节的广 告有用载荷。
广告数据集的添加答应Bluetooth LE链路层交织多 个广告事情，每个事情具有不同的广告有用负载集， 且无需主机处理器参加。这些广告事情中的每一个都 是Bluetooth LE状况机中广告状况的独自实例，而且每 个数据集能够具有不同的广告参数（PHY、包格局、 广告间隔、功率等级等）。这答应单个物理信标更优 雅地支撑遵从不同标准的多种类型的信标。将交织任 务从主机处理器卸载到链路层能够开释主机资源，并 能够更有用地支撑多种信标格局。
蓝牙5还引入了在次广告信道上的广告事情之间 运用确认性计时的功用，这称为周期广告。在4.x版别 中，广告事情之间的间隔包含1个随机因素，以保证 恣意2个设备不会因为射频通道上的循环抵触而无意 间彼此同步。凭借周期广告，扫描设备能够在已知的 固定守时刻隔内履行扫描，更有用地办理射频接纳器 的活动时刻，然后下降功耗。广告设备在主广告信道 上守时地发送新的广告事情，该事情指向同步数据， 然后答应新的扫描器同步到周期性广告间隔。周期广 告在运用信标符号进行财物盯梢的运用中或许会有所 协助。并非偶然的是，这也为运用Bluetooth LE无线电 以播送方法传输音频铺平了路途。
在蓝牙4.x中，不行衔接的广告事情（nonconnectable advertising event）之间的最小答应间隔 为100 ms，而蓝牙5将其削减到20 ms。这称为高占空 比不行衔接广告（High Duty Cycle Non-Connectable Advertising）。如咱们所评论的[1]，较短的信标间隔可 以供给更好的定位精度和呼应时刻，特别是关于移动 物体。
最终，尽管不是直接改动广告包格局，但蓝牙5 还添加了对扫描事情陈述（scan event reporting）的支 持。这答应广告设备将扫描恳求陈述给主处理器（从 另一设备接纳广告的后续呼应）。在必定表明已成功听到广告的指示下，主机运用能够采纳恰当的办法， 例如在一段时刻内封闭后续的广告事情。这关于办理 信标财物标签中的电池寿数特别有利。
4 高档信标
蓝牙5中的Bluetooth LE广告机制完成的广泛增强 功用为更高档的信标翻开了很多的或许性。
明显而直接的优点是，信标能够运用较大的广 告包或链接的包，然后能够在广告事情中供给更多 内容。考虑当时Eddystone格局的状况，该格局依据 需求播送的信息界说了4种不同的帧格局。尽管每种 格局独自运用依然有优点，但假如将其间某些格局 组合运用（例如将UID结构与URL和TLM结构组合 在一起），功率也很高。信标能够在1个信标事情中 发送其ID、上下文相关的URL和健康数据（温度、 电池电量、反常数据等）。因为不需求URL紧缩， Eddystone-URL信标也可从较大的广告包中获益。使 用惯例URL能够进步网络安全性（缩短的URL能够掩 盖歹意方针地址并绕过内容过滤器）。
前文强调了另一个优点——运用广告数据集，单 个物理信标能够支撑多个信标标准，每个标准具有不 同的数据包时序和格局。因为新的PDU类型与传统的 PDU类型向后兼容，它们乃至能够支撑将运用传统广 告包（iBeacon，Eddystone，AltBeacon等）的信标与 依据新扩展广告的信标混合。这意味着依据蓝牙4.0信 标的现有运用仍可与蓝牙5信标兼容，然后在晋级到 更多增强功用的一起完成平稳过渡。
经过卸载3个主广告信道的通信量，运用次广告 信道的信标使得每个运用Bluetooth LE的环境都将受 益，无论是信标仍是其他方法。这有助于削减射频冲 突的或许性并进步牢靠性，特别是在一起运用信标和 蓝牙mesh的设备中（如前所述），这些设备专门运用 3个主广告信道进行一切网络通信。
要求远间隔的信标仅仅较大的信标商场的一小部 分，可是因为添加了对更高发射功率的支撑，并添加 了LE Coded PHY，蓝牙5将使信标规模到达曾经的4 倍。这些关于在几百米而不是几十米的间隔内进行丈量的运用非常重要，例 如航空货运集装箱盯梢。
令人兴奋且重要的是，蓝牙5中的广告扩展不需 要晋级到新芯片。只需芯片具有满足的内存，没有在 ROM中预编程协议栈，而且支撑固件更新，那么只需 在现有硬件上进行固件晋级即可支撑广告扩展。当然， 这取决于芯片供货商，以及他们是否挑选运用其软件开 发东西在现有芯片上支撑蓝牙5功用。
5 定论
蓝牙SIG声称，比较曾经版别，蓝牙5完成了2倍的 速度、4倍的规模、8倍的播送容量。一切这些增强功用 都使信标商场获益，特别是广告扩展，它极大地扩展了 信标技能中心的广告功用。此外，零售商场之外供给依据挨近的服务的许多运用仍处于实验阶段，而一般大众 需求时刻逐步习惯于运用这些服务。尽管如此，商场潜 力依然很大，因而招引了很多竞争者。这将影响立异的 动力，并凭借现已构建的模块去完成蓝牙5高档信标， 前期选用者将很快成为商场上的真实“信标”。
参阅文献：
[1] TILLISON J.运用低功耗蓝牙技能开发信标[C].无线大会2016 （Wireless Congress 2016）.
[2] 蓝牙中心标准v5.0[EB/OL].（2016-12-16）.https://www. bluetooth.com/specifications/bluetooth-core-specification.
[3] Snellman，Savolainen，Knaappila，Rahikkala. 蓝牙5， 专为物联网而优化. Silicon Laboratories,2018.
[4] Woolley. 蓝牙5：更快，更进一步[EB/OL]. 链接：https:// www.bluetooth.com/bluetooth-technology/ bluetooth5/bluetooth5-paper.
[5] Eddystone协议标准[EB/OL].https:// github.com/google/eddystone/blob/master/ protocolspecification.md.
