蓝牙低功耗无线技术综述与评价外文翻译资料

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蓝牙低功耗无线技术综述与评价

Carles Gomez ¹, Joaquim Oller ² and Josep Paradells ²

摘要

蓝牙低能耗（Bluetooth Low Energy，BLE）是一种新兴的低功耗无线技术，专为短程控制和监控应用而开发，预计在未来几年内将被整合到数十亿台设备中。本文介绍了BLE的主要特点，探讨了其潜在的应用前景，研究了各种关键参数对BLE性能的影响。BLE表示能耗、延迟、微微网大小和吞吐量之间的权衡，主要取决于connInterval和connSlaveLatency等参数。根据理论结果，币形电池供电的BLE器件的寿命在2.0天到14.1年之间。每个主设备同时从设备的数量在2到5917之间。虽然仿真结果表明，在高误比特率下，平均延迟增加了三个数量级，但主机获得传感器读数的最小延迟为676微秒。本文提供的实验结果补充了理论和仿真结果，并指出了可能降低BLE性能的实现约束。

关键词：蓝牙低能耗；传感器网络；物联网

1. 介绍

蓝牙低能（Bluetooth Low Energy，blue）是由蓝牙特殊兴趣组（Bluetooth Special Interest Group，SIG）开发的一种用于短距离通信的新兴无线技术。与以前的蓝牙风格不同，BLE被设计成一种低功耗的控制和监控应用解决方案。BLE是蓝牙4.0规范的显著特点^[1]。

当其他低功耗无线解决方案（如ZigBee、6LoWPAN或Z-Wave）在需要多跳网络的应用领域稳步增长时，BLE已经出现^[2,3]。然而，BLE构成了一个单跳解决方案，适用于区域中不同的用例空间例如医疗保健、消费电子、智能能源和安全等领域。

蓝牙技术的广泛应用（例如，在移动电话、笔记本电脑、汽车等）可能会促进BLE的采用，因为BLE的实现可以利用与经典蓝牙的相似性。根据已发表的预测^[4]，BLE预计将在不久的将来用于数十亿台设备。事实上，IETF 6LoWPAN工作组（WG）^[5]已经认识到BLE对于物联网的重要性。在撰写本文时，6LoWPAN工作组正在开发一个通过BLE传输IPv6数据包的规范^[6]。

本文介绍了BLE的主要特点，研究了关键参数对其性能的影响，并探讨了其潜在的应用前景。第二节概述了BLE协议栈，描述了各层的工作原理和主要特点；第三节评估了BLE的能耗、时延和网络规模，讨论了应用层的BLE吞吐量；第4节探讨了BLE的应用和市场采用可能性，并与其他无线低功耗技术进行了比较。最后，第五节对全文进行了总结，并给出了主要的评价。

2.蓝牙低能耗协议栈

本节介绍了BLE协议栈，并描述了各层的主要机制和特点。

2.1 BLE协议栈概述

与经典的蓝牙协议^[7]一样，BLE协议栈由两个主要部分组成：控制器和主机。控制器包括物理层和链路层，并且通常被实现为具有集成无线电的小型片上系统（SOC）。主机在应用处理器上运行，包括上层功能，即逻辑链路控制和适配协议（L2CAP）、属性协议（ATT）、通用属性配置文件（GATT）、安全管理协议（SMP）和通用访问配置文件（GAP）。主机和控制器之间的通信被标准化为主机-控制器接口（HCI）。最后，非核心配置文件（即蓝牙规范未定义的应用层功能）可以在主机上使用。图1（a）说明了BLE协议栈。图1（b）描述了当应用程序数据被传输时，每一层贡献给物理层数据单元的不同字段的结构和大小。第2.2小节到第2.8小节主要关注BLE协议栈的每一层。

图1.（a） BLE协议栈；（b）BLE数据单元的结构（注：每个字段的大小以字节表示）。

尽管BLE控制器的一些特性继承自经典的蓝牙控制器，但这两种控制器目前都不兼容。因此，仅实现BLE的设备（称为单模式设备）不能与仅实现经典蓝牙的设备通信。预计许多设备将同时实现经典的蓝牙和BLE协议栈。这些设备称为双模设备。

2.2物理层

BLE工作在2.4GHz工业科学医疗（ISM）频段，定义40个射频（RF）信道，信道间隔为2 MHz。有两种类型的BLE射频通道：广告通道和数据通道。广告信道用于设备发现、连接建立和广播传输，而数据信道用于连接设备之间的双向通信。

三种渠道被定义为广告渠道。这些信道被分配了中心频率，以尽量减少与IEEE 802.11信道1、6和11的重叠，ieee802.11信道通常在几个国家使用。

在数据信道的顶部采用自适应跳频机制，以应对诸如衰落和多径等干扰和无线传播问题。该机制在给定的时间间隔内选择37个可用数据信道中的一个进行通信。

所有物理信道均采用高斯频移键控（GFSK）调制，实现简单。调制指数在0.45到0.55之间，这允许降低峰值功耗。物理层数据速率为1Mbps。

接收机灵敏度在BLE中定义为在接收机处达到10-3的误比特率（BER）的信号电平。BLE规范要求灵敏度大于或等于-70 dBm。覆盖范围通常超过几十米。

2.3链路层

在BLE中，当设备只需要广播数据时，它通过广告信道发送广告包中的数据。任何发送广告包的设备都称为广告商。数据包通过广告渠道的传输是在称为广告事件的时间间隔内进行的。在广告事件中，广告客户顺序地使用每个广告信道进行分组传输。仅通过广告渠道接收数据的设备称为扫描仪。

两个设备之间的双向数据通信要求它们相互连接。两个设备之间的连接的创建是一个不对称过程，广告客户通过广告渠道宣布它是可连接设备，而另一个设备（称为发起方）监听此类广告。当发起方发现广告客户时，它可以向广告客户发送连接请求消息，广告客户在两个设备之间创建点对点连接。然后，两个设备都可以使用物理数据通道进行通信。此连接的数据包将由随机生成的32位访问代码标识。

BLE在链路层为创建的连接定义了两个设备角色：主连接和从连接。这些设备分别在连接创建期间充当发起方和广告客户。一个主设备可以管理多个同时连接不同的从设备，而每个从设备只能连接到一个主设备。因此，由主设备和从设备组成的网络（称为微微网）遵循星形拓扑结构。目前，一个BLE设备只能属于一个微微网。

为了节省能源，从机默认处于睡眠模式，并定期唤醒以侦听来自主机的可能的数据包接收。主服务器决定了需要从服务器监听的时刻，因此通过使用时分多址（TDMA）方案来协调媒体访问。主机还向从机提供跳频算法所需的信息（包括要使用的数据信道图）和连接监控所需的信息。与连接的管理相关的参数在连接请求消息中被发送，并且可以在连接期间由于各种原因（例如，由于干扰模式的改变而使用新的数据信道图）而被更新。

一旦在主设备和从设备之间建立了连接，物理通道就被划分为称为连接事件的不重叠时间单元。在连接事件中，使用相同的数据信道频率发送所有数据包。每一个连接事件都从主服务器传输数据包开始。如果从机收到数据包，则从机必须向主机发送数据包作为响应。然而，在从站接收到数据包时，不要求主站发送数据包。至少，150mu;s的帧间空间（IFS）必须在分组的传输结束和下一分组的开始之间通过。当主从机继续交替发送数据包时，连接事件被认为是打开的。数据信道分组包括一个更多数据（MD）位，该位指示发送方是否有更多的信息要发送。如果没有一个设备要传输更多的数据，则连接事件将关闭，在下一个连接事件开始之前，从设备将不需要侦听。强制连接事件结束的其他情况包括主设备或从设备接收到两个连续的具有位错误的包，以及任何设备发送的包的访问地址字段的损坏。为了允许位错误检测，所有数据单元包括24位循环冗余校验（CRC）码。

对于一个新的连接事件，主节点和从节点使用一个新的数据信道频率，该频率是使用跳频算法计算的。两个连续连接事件开始之间的时间由connInterval参数指定，该参数是7.5 ms到4 s范围内1.25 ms的倍数。另一个重要参数是connSlaveLatency，它定义了连续连接事件的数量，在此期间，从机不需要侦听主机和这样可以保持收音机关闭。此参数是介于0和499之间的整数，不应导致监视超时。当自上次接收到数据包以来的时间超过connSupervisionTimeout参数（介于100 ms和32 s之间）时，将发生监视超时。此机制的目的是检测由于严重干扰或设备在其对等方范围外移动而导致的连接丢失。

链路层连接使用基于累积确认的停止和等待流控制机制，该机制同时提供错误恢复功能。每个数据信道分组报头包含两个一位字段，称为序列号（SN）和下一个预期序列号（NESN）。SN位标识数据包，而NESN指示下一步应接收来自对等设备的哪个数据包。如果一个设备成功地接收到一个数据信道分组，它的下一个分组的NESN将递增，并且该分组将作为确认。否则，如果设备接收到具有无效CRC校验的分组，则不能依赖所接收分组的NESN。这迫使接收设备重新发送其最后发送的分组，作为否定应答。

2.4 L2CAP公司

BLE中使用的L2CAP是在经典蓝牙L2CAP的基础上优化和简化的协议。在BLE中，L2CAP的主要目标是在链路层连接的基础上多路传输三个高层协议（ATT、SMP和链路层控制信令）的数据。这些服务的数据由L2CAP以尽最大努力的方式处理，并且不使用在其他蓝牙版本中可用的重传和流控制机制。不使用分段和重新组装功能，因为上层协议提供的数据单元符合L2CAP有效负载的最大大小，即23字节的BLE。

2.5附件

ATT定义了在专用L2CAP信道上分别扮演服务器和客户端角色的两个设备之间的通信。服务器维护一组属性。属性是存储GATT管理的信息的数据结构，GATT是在ATT之上运行的协议。客户机或服务器角色由GATT决定，并且独立于从属或主角色。

客户端可以通过发送请求来访问服务器的属性，从而触发来自服务器的响应消息。为了提高效率，服务器还可以向客户端发送两种类型的未经请求的消息，其中包含以下属性：（i）未经确认的通知；（ii）需要客户端发送确认的指示。客户端也可以向服务器发送命令以写入属性值。请求/响应和指示/确认事务遵循停止等待方案。

2.6关贸总协定

GATT定义了一个框架，该框架使用ATT来发现服务，并将特征从一个设备交换到另一个设备。特征是一组包含值和属性的数据。与服务和特性相关的数据存储在属性中。例如，运行“温度传感器”服务的服务器可能具有“温度”特性，该特性使用一个属性来描述传感器，另一个属性用于存储温度测量值，另一个属性用于指定测量单位。

2.7安全

BLE提供各种安全服务，以保护两个连接设备之间的信息交换。大多数支持的安全服务可以用两种互斥的安全模式来表示，即LE security Mode 1和LE security Mode 2。这两种模式分别在链路层和ATT层提供安全功能。

BLE链路层通过使用密码块链消息认证码（CCM）算法[8]和128位AES分组密码来支持加密和认证。当在连接中使用加密和身份验证时，4字节的消息完整性检查（MIC）被附加到数据信道PDU的有效载荷上（参见图1（b））。然后对PDU有效载荷和MIC字段应用加密。

也可以通过未加密的链路层连接传输经过身份验证的数据。在这种情况下，在ATT层的数据有效载荷之后放置12字节签名。签名是通过应用使用128位AES作为分组密码的算法来计算的^[1]。算法的一个输入是一个计数器，用于防止重播攻击。如果接收方验证签名，则假定数据已由受信任的源发送。

除了所描述的服务之外，BLE还支持一种称为隐私特性的机制，该机制允许设备使用私有地址并经常更改它们。隐私功能减轻了对手跟踪可移动设备的威胁。私有地址是通过加密设备的公共地址生成的，该地址可以由具有相应加密密钥的受信任设备解析。

每个安全模式都有不同级别的帐户，它们表示了对必须使用的配对类型的要求。配对是设备生成和分发关键材料的过程。表1总结了每个安全模式和级别所需的安全服务和配对类型（如果有）。

表1.BLE中定义的安全模式和级别的安全服务和功能。

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