描述
开 本: 16开纸 张: 胶版纸包 装: 平装是否套装: 否国际标准书号ISBN: 9787111469216丛书名: 电子与嵌入式系统设计译丛
编辑推荐
（1）首本系统讲解蓝牙4.0的原理、体系结构、硬件设计以及应用等的书籍。（2）作者系蓝牙4.0标准参与制定者、架构师，权威性毋庸置疑。（3）本是学习蓝牙4.0标准不可或缺的参考手册。
内容简介
低功耗蓝牙（Bluetooth Low Energy，BLE）与传统蓝牙技术有着本质的不同，它为医疗、运输等领域的无线应用带来了突破。只需一枚硬币大小的电池，低功耗蓝牙便可以连接并扩展各类个人局域网（Personal Area Network，PAN）设备和新一代传感器，令其可靠地运行若干年。如今，该标准的主要制定者之一为每位系统开发者、设计师和工程师撰写了本全面、易懂的低功耗蓝牙著作。
目 录
译者序
前言
部分 综述
第1章 什么是低功耗蓝牙技术
1.1 设备类型
1.2 设计目标
1.3 术语
第2章 基本概念
2.1 纽扣电池
2.2 时间即能量
2.3 昂贵的内存
2.4 非对称设计
2.5 为成功而设计
2.6 凡事皆有状态
2.7 客户端–服务器架构
2.8 模块化架构
2.9 十亿只是个小数目
2.10 无连接模型
2.11 范式
2.11.1 客户端–服务器架构
2.11.2 面向服务的架构
第3章 低功耗蓝牙的体系结构
3.1 控制器
3.1.1 物理层
3.1.2 直接测试模式
3.1.3 链路层
3.1.4 主机/控制器接口
3.2 主机
3.2.1 逻辑链路控制和适配协议
3.2.2 安全管理器协议
3.2.3 属性协议
3.2.4 通用属性规范
3.2.5 通用访问规范
3.3 应用层
3.3.1 特性
3.3.2 服务
3.3.3 规范
……
第4章 新的使用模型
第二部分 控制器
第5章 物理层
第6章 直接测试模式
第7章 链路层
第8章 主机/控制器接口
第三部分 主机
第9章 逻辑链路控制和适配协议
第10章 属性
第11章 安全
第12章 通用访问规范
第四部分 应用
第13章 中央设备
第14章 外围设备
第15章 测试和质量鉴定
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部分
综述
第1章介绍低功耗蓝牙技术及其设计目标。
第2章讨论低功耗蓝牙体系结构的设计基础。
第3章介绍低功耗的主要系统架构，包括控制器、主机及其之上的应用层。
第4章描述低功耗技术使能新的使用模型。
第1章
什么是低功耗蓝牙技术
如果我能看得更远的话，那是因为我站在巨人的肩膀上。
—艾萨克·牛顿（IsaacNewton）
低功耗蓝牙是一种全新的技术，是当前可以用来设计和使用的功耗的无线技术。作为经典蓝牙的扩展，低功耗蓝牙沿用了蓝牙商标，并且借鉴了很多父辈的技术，然而，由于针对的设计目标和市场领域均与经典蓝牙有所不同，低功耗蓝牙应被视为一种不同的技术。
经典蓝牙的设计目的在于统一全球各地的计算和通信设备，让手机与笔记本电脑互相连接。不过事实证明，蓝牙为广泛的应用还是音频传输，比如将音频从手机传到蓝牙耳机。随着技术的成熟，越来越多的蓝牙应用进入人们的视线，包括立体声音频流、汽车从手机下载电子书、无线打印和文件传输。由于每一个新的应用都要求更多带宽，因此，随着时间的推移，越来越快的无线电技术不断地加入蓝牙系统中。1.0版蓝牙为基本码率（BasicRate，BR），物理层数据速率为1Mbps（兆比特每秒）；2.0版本为增强码率（EnhancedDataRate，EDR），其物理层数据传输率增至3Mbps；3.0版本引入AlternativeMACPHY（AMP，交替射频技术），利用IEEE802.11实现了高达数百Mbps的物理层数据速率。
低功耗蓝牙选择了完全不同的方向：并非只是增加可达的数据传输速率，而是从尽可能降低功耗方面进行优化。这意味着，也许你无法获得很高的传输速率，但是可以将连接保持数小时或数天的时间。这一选择非常有趣，显然，大部分有线和无线通信技术还在马不停蹄地提升速率，如表1-1所示。
对于那些由纽扣电池供电的设备，经典蓝牙并不能真正达到它们的低功耗要求。理解了这一点，就不难明白选择新方向的原因。然而，在充分考虑低功耗的相关要求时，还有一点必须考虑到，即低功耗蓝牙应被设计成满足极大规模部署的要求，以便用于迄今尚未装备无线技术的装置。要实现极大的规模，就必须要有极低的成本。就好像射频识别（RadioFrequencyIdentification，RFID）通过一个价格较高的扫描装置获得能量，然而其标签本身的成本极低，从而获得了大量的部署。
表1-1始终增长的速率
调制解调器以太网Wi-Fi蓝牙
V.210.3kbps802.3i10Mbps802.112MbpsV1.11Mbps
V.221.2kbps802.3u100Mbps802.11b11MbpsV2.03Mbps
V.329.6kbps802.3ab1000Mbps802.11g54MbpsV3.054Mbps
V.3428.8kbps802.3an10000Mbps802.11n135MbpsV4.00.3Mbps
因此，从低成本的需求方面审视低功耗蓝牙的系统设计尤为重要。实现低成本的设计有三个关键因素：
1.ISM频段
无论从设计的角度还是从使用的角度出发，2.4GHzISM频段对无线技术而言都是个糟糕的频段。该频段无线电传播特性差，能量极容易被各类物体吸收，尤其是水，而人体主要是由水构成的。尽管有许多显著的不利因素，但不可否认，该无线电频谱的优势是在全世界可以免许可、自由地使用。当然，“免交租金”的标志意味着其他技术一样能够使用该频段，包括绝大部分的Wi-Fi信号。不过，免许可并非等同于毫无约束，使用该频段仍然要遵守相当多的规则，主要是限制设备的输出能量和范围。当然，与许可频谱的高昂费用相比，这些限制就显得微不足道了。因此，选择使用ISM频段能够降低成本。
2.IP许可
当Wibree（超低功耗蓝牙）技术发展成熟，考虑将其并入已有的无线标准工作组时，诺基亚原本有多种选择方案。比如加入Wi-Fi联盟，该联盟也在2.4GHzISM频段制定标准化技术。然而，鉴于蓝牙组织拥有较高的声誉和优厚的专利许可政策，他们终选择了蓝牙技术联盟（BluetoothSpecialInterestGroup，BTSIG）。与其他采取FRAND政策的兴趣小组或联盟相比，蓝牙技术联盟的政策使得蓝牙设备的专利许可成本大为降低。而许可成本的降低使得每件设备的成本也显著降低。
3.低功耗
设计一款低成本设备的好方法就是减少制作这个设备所需的原料，比如电池。电池越大，电池盒就越大，这样又会增加成本。替换一节电池的花费，不仅指消费者需要购买新的电池，而且替换本身也包含了因设备暂时无法使用带来的机会成本。如果设备由第三方维护，比如作为家庭警备管理系统的一部分，换电池还需额外的劳动力成本。因此，设计有关低功耗的技术也是在降低各种成本。这里不妨做个脑力实验，如果只花一毛钱就能买一个兆瓦特级的电池，那事情会变得多么不同？
很多设备能容纳更大的电池，例如键盘或者鼠标内部很容易装下几节AA电池。然而生产商们却倾向于使用AAA电池，并不是因为它们更小，而是因为它们的原料成本更低，降低了设备的总成本。
因此，低功耗的基础设计就是以纽扣电池—这种小、便宜并且容易购买的电池类型作为能量来源。这意味着我们无法令低功耗蓝牙实现很高的数据传输速率，或是将其用于大量数据的传输或者数据流传输。这一点或许是经典蓝牙与低功耗蓝牙的区别。下一节将就该问题进行详细讨论。
综述
第1章介绍低功耗蓝牙技术及其设计目标。
第2章讨论低功耗蓝牙体系结构的设计基础。
第3章介绍低功耗的主要系统架构，包括控制器、主机及其之上的应用层。
第4章描述低功耗技术使能新的使用模型。
第1章
什么是低功耗蓝牙技术
如果我能看得更远的话，那是因为我站在巨人的肩膀上。
—艾萨克·牛顿（IsaacNewton）
低功耗蓝牙是一种全新的技术，是当前可以用来设计和使用的功耗的无线技术。作为经典蓝牙的扩展，低功耗蓝牙沿用了蓝牙商标，并且借鉴了很多父辈的技术，然而，由于针对的设计目标和市场领域均与经典蓝牙有所不同，低功耗蓝牙应被视为一种不同的技术。
经典蓝牙的设计目的在于统一全球各地的计算和通信设备，让手机与笔记本电脑互相连接。不过事实证明，蓝牙为广泛的应用还是音频传输，比如将音频从手机传到蓝牙耳机。随着技术的成熟，越来越多的蓝牙应用进入人们的视线，包括立体声音频流、汽车从手机下载电子书、无线打印和文件传输。由于每一个新的应用都要求更多带宽，因此，随着时间的推移，越来越快的无线电技术不断地加入蓝牙系统中。1.0版蓝牙为基本码率（BasicRate，BR），物理层数据速率为1Mbps（兆比特每秒）；2.0版本为增强码率（EnhancedDataRate，EDR），其物理层数据传输率增至3Mbps；3.0版本引入AlternativeMACPHY（AMP，交替射频技术），利用IEEE802.11实现了高达数百Mbps的物理层数据速率。
低功耗蓝牙选择了完全不同的方向：并非只是增加可达的数据传输速率，而是从尽可能降低功耗方面进行优化。这意味着，也许你无法获得很高的传输速率，但是可以将连接保持数小时或数天的时间。这一选择非常有趣，显然，大部分有线和无线通信技术还在马不停蹄地提升速率，如表1-1所示。
对于那些由纽扣电池供电的设备，经典蓝牙并不能真正达到它们的低功耗要求。理解了这一点，就不难明白选择新方向的原因。然而，在充分考虑低功耗的相关要求时，还有一点必须考虑到，即低功耗蓝牙应被设计成满足极大规模部署的要求，以便用于迄今尚未装备无线技术的装置。要实现极大的规模，就必须要有极低的成本。就好像射频识别（RadioFrequencyIdentification，RFID）通过一个价格较高的扫描装置获得能量，然而其标签本身的成本极低，从而获得了大量的部署。
表1-1始终增长的速率
调制解调器以太网Wi-Fi蓝牙
V.210.3kbps802.3i10Mbps802.112MbpsV1.11Mbps
V.221.2kbps802.3u100Mbps802.11b11MbpsV2.03Mbps
V.329.6kbps802.3ab1000Mbps802.11g54MbpsV3.054Mbps
V.3428.8kbps802.3an10000Mbps802.11n135MbpsV4.00.3Mbps
因此，从低成本的需求方面审视低功耗蓝牙的系统设计尤为重要。实现低成本的设计有三个关键因素：
1.ISM频段
无论从设计的角度还是从使用的角度出发，2.4GHzISM频段对无线技术而言都是个糟糕的频段。该频段无线电传播特性差，能量极容易被各类物体吸收，尤其是水，而人体主要是由水构成的。尽管有许多显著的不利因素，但不可否认，该无线电频谱的优势是在全世界可以免许可、自由地使用。当然，“免交租金”的标志意味着其他技术一样能够使用该频段，包括绝大部分的Wi-Fi信号。不过，免许可并非等同于毫无约束，使用该频段仍然要遵守相当多的规则，主要是限制设备的输出能量和范围。当然，与许可频谱的高昂费用相比，这些限制就显得微不足道了。因此，选择使用ISM频段能够降低成本。
2.IP许可
当Wibree（超低功耗蓝牙）技术发展成熟，考虑将其并入已有的无线标准工作组时，诺基亚原本有多种选择方案。比如加入Wi-Fi联盟，该联盟也在2.4GHzISM频段制定标准化技术。然而，鉴于蓝牙组织拥有较高的声誉和优厚的专利许可政策，他们终选择了蓝牙技术联盟（BluetoothSpecialInterestGroup，BTSIG）。与其他采取FRAND政策的兴趣小组或联盟相比，蓝牙技术联盟的政策使得蓝牙设备的专利许可成本大为降低。而许可成本的降低使得每件设备的成本也显著降低。
3.低功耗
设计一款低成本设备的好方法就是减少制作这个设备所需的原料，比如电池。电池越大，电池盒就越大，这样又会增加成本。替换一节电池的花费，不仅指消费者需要购买新的电池，而且替换本身也包含了因设备暂时无法使用带来的机会成本。如果设备由第三方维护，比如作为家庭警备管理系统的一部分，换电池还需额外的劳动力成本。因此，设计有关低功耗的技术也是在降低各种成本。这里不妨做个脑力实验，如果只花一毛钱就能买一个兆瓦特级的电池，那事情会变得多么不同？
很多设备能容纳更大的电池，例如键盘或者鼠标内部很容易装下几节AA电池。然而生产商们却倾向于使用AAA电池，并不是因为它们更小，而是因为它们的原料成本更低，降低了设备的总成本。
因此，低功耗的基础设计就是以纽扣电池—这种小、便宜并且容易购买的电池类型作为能量来源。这意味着我们无法令低功耗蓝牙实现很高的数据传输速率，或是将其用于大量数据的传输或者数据流传输。这一点或许是经典蓝牙与低功耗蓝牙的区别。下一节将就该问题进行详细讨论。
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