藍牙 4.1、4.2 和 5 相容的低功耗藍牙 SoC 與工具能克服物聯網挑戰（第一篇）

第 4.1、4.2 與 5 版標準針對低功耗藍牙 RF 協定軟體（即堆疊）進行重大升級，除了原本的消費性應用基礎外，更大幅針對眾多應用提高實用性，特別是物聯網 (IoT) 相關應用。

但技術快速演進，再加上低功耗藍牙技術和傳統藍牙的功能與互通性並不明確，因此造成了一些混淆。設計人員與開發人員若要將設計最佳化，同時確保完全發揮藍牙功能的優勢，就必須完全了解最適合其特定應用的技術形式。

此文章分為兩篇，將闡述低功耗藍牙技術，以便化解上述混淆情況，並且會說明技術的增進項目。第 4.1、4.2 和 第 5 版規格的推出，此技術將可用於原本不適合的應用。這些應用包括超低功率、更長距離、更大處理量，以及添加廣告擴充項目。此文章也收錄低功耗藍牙系統單晶片 (SoC) 的範例，其完全符合最新規格版本。

此文章系列的第二篇將說明 RF 經驗不多的設計者，如何使用來自眾多供應商的 SoC、模組、韌體與軟硬體開發套件 (SDK) 設計低功耗藍牙無線產品。

針對低功耗進行最佳化

低功耗藍牙技術是在 2010 年發展到藍牙 4.0 版時推出，將藍牙短距無線技術演進成超低功耗且可互通的形式。此技術將藍牙的生態系統拓展到較小電池容量的應用，像是穿戴式裝置。此技術在目標應用中的平均電流僅有微安培，能補足傳統藍牙技術的不足。原始規格的主要特點包括：

• 精簡型協定堆疊。
• 能與 4.0 版以上的藍牙互通。
• 原始數據傳輸率為 1 Mbps。
• 傳輸範圍大約 10 公尺。
• 對其他 2.4 GHz 無線電來源有高耐受能力。

此技術適合小型無線感測器或其他可使用完全非同步通訊的周邊裝置來傳輸資料。這些裝置僅傳送少量資料（少許位元組）且不常傳輸。這些裝置的工作週期通常介於每秒幾次到一分鐘一次，甚至更久。

在藍牙 4.0 核心規格中，精簡型低功耗藍牙堆疊包含實體層（PHY，負責傳輸位元）、鏈路層（LL，負責定義封包結構與控制），以及主機控制器介面 (HCI)。這三層統稱為低功耗藍牙鏈路控制器（簡稱控制器）。在控制器上方，主機層整合了邏輯鏈路控制與調適協定 (L2CAP)，能為應用與服務提供通道式抽取。主機層會針對應用資料進行分割與重組，並對共用邏輯鏈路上的多重通道進行多工處理和解多工。

主機層也包含安全性管理器協定 (SMP) 與屬性協定 (ATT)。SMP 使用固定式 L2CAP 通道在裝置之間實作安全功能。ATT 則提供方法在固定式 L2CAP 通道上傳遞少量資料。決定其他裝置之服務與功能的裝置也會使用 ATT 協定。泛型屬性 (GATT) 設定檔會界定設定檔資料進行交換時的所在結構。此結構會界定基本要件，例如應用中的服務和特性。最後，通用存取設定檔 (GAP) 會界定藍牙裝置的基本要求。應用軟體則位於堆疊的頂端（圖 1）。

圖 1：低功耗藍牙堆疊的控制器、主機與應用示意圖。泛性屬性設定檔 (GATT) 會界定藍牙裝置的基本要求。（圖片來源：“Bluetooth Low Energy: The Developer’s Handbook,” Robin Heydon）

開發人員之所以感到困惑，可能是因為藍牙核心規格自第 4.0 版起指定了兩種晶片：

• 上述低功耗藍牙晶片與堆疊。
• 採用堆疊經過修改的藍牙晶片，加上舊版的基本傳輸率 (BR)／增強型數據傳輸率 (EDR) PHY，再搭配低功耗 (LE) PHY (BR/EDR + LE)，即可跟各版本標準和晶片款式互通。

本文（與第二篇）主要著重於低功耗藍牙裝置。雖然在許多消費性應用中，此裝置需搭配藍牙晶片使用，但多虧第 4.1、4.2 與 5 版標準的增強項目，此裝置目前愈來愈常在物聯網應用中作為獨立裝置使用。

低功耗藍牙晶片能與遵循藍牙 4.0 版以上標準的其他低功耗藍牙晶片以及藍牙晶片進行互通。請注意，藍牙晶片係用於注重頻寬大於功耗的智慧型手機、平板電腦與個人電腦等應用。然而，藍牙晶片也可跟遵循藍牙 3.0 與更早版本的藍牙晶片互通操作（圖 2）。

圖 2：藍牙 4.0 以兩個裝置為基礎，即藍牙晶片（含 BR/EDR + LE PHY）與低功耗藍牙晶片 (LE PHY)（圖片的中間和右方）。這些裝置可互通操作。藍牙晶片也可和遵循藍牙 3.0 與更早版本的傳統藍牙晶片互通操作（左側）。（圖片來源：Nordic Semiconductor）

低功耗藍牙技術藉由兩種方式來省電，包括將待機時間最大化，以及使用快速連線與低峰值發射／接收功率。達到超低功耗的關鍵在於，傳統藍牙技術是一種具有固定連線時間間隔的「連線導向式」無線電，而低功耗藍牙技術通常處於「未連線」的省電狀態，其鏈路的兩端雖知道彼此的存在，但只會在必要時連線，而且連線時間盡可能短。

低功耗藍牙技術使用三個廣告通道搜尋其他裝置或播送自身存在，而藍牙技術則使用 32 個通道。低功耗藍牙技術會啟動 0.6 至 1.2 毫秒來掃描其他裝置，而藍牙則需要 22.5 毫秒來掃描 32 個通道，多耗費高達 20 倍的電量。

連線後，低功耗藍牙技術會切換到 37 個資料通道之一，再使用原始藍牙規格（使用 79 個通道）率先採用的適應性跳頻 (AFH) 技術，以偽隨機模式在通道之間快速切換，藉此避免干擾。低功耗藍牙技術可在 3 毫秒內完成連線（掃描、鏈結、傳送資料、驗證和終止），但藍牙卻需要幾百毫秒，因此更加省電。

此技術省電的另一個原因是使用比藍牙更「寬鬆」的 RF 參數。兩種技術都使用高斯頻移鍵控 (GFSK) 調變；不過，Bluetooth Smart 使用的調變指數為 0.5，而不是傳統藍牙的 0.35，因此能降低電力需求。較低的調變指數亦有助於擴大訊號範圍並增強耐用度。

最後，低功耗藍牙技術使用的封包比藍牙技術更小。這有助於避免晶片過熱。而且，也不需要採用耗電的重新校準程序與封閉迴路架構。

為物聯網做準備

在消費性應用中，智慧型手機通常作為「閘道器」，讓低功耗藍牙裝置的資料傳達雲端。這非常適合以人為中心的應用（如健身手環），但用於家庭或工業自動化等應用則不理想，因為智慧型手機並不會隨時都在現場。推出藍牙 4.1 的原因就是要彌補這項缺失，以便此技術運用到物聯網應用。

藍牙 4.1 增添了一項能力，能讓裝置同時作為低功耗藍牙「周邊裝置」與「中樞」。舉例來說，智慧型手錶現在可扮演中樞角色，從低功耗藍牙心率監測器蒐集資訊，同時作為智慧型手機的周邊裝置，顯示來自手機的新訊息通知。第二，藍牙 4.1 新增了建立 IPv6（最新版網際網路通訊協定）專屬通道的標準作法。

隨軟體升級推出的其他增強項目包括：改進低功耗藍牙與行動 LTE 的共存；允許開發人員改變重新連線的時間間隔，達到更好的連線效果；以及大量資料傳輸。

同時，網際網路工程任務推動小組 (IETF) 也在 IPv6 中納入低功耗無線個人區域網路 (6LoWPAN) 規格。IPv6 的 128 位元定址功能超越 IPv4 的 32 位元定址功能，能確保要納入物聯網中的數十億個小型感測器都配有唯一 IP 位址。如此一來，就能直接連接網路上的其他裝置。若使用低功耗藍牙，感測器就不需透過閘道器服務，即可進行 IP 連線與解譯。智慧型手機就是廣為使用的「閘道器」的一個好例子。

IETF 制訂規格加上藍牙 4.1 引進專屬通道，因此藍牙 4.2 得以將網際網路協定支援設定檔 (IPSP) 納入到低功耗藍牙堆疊中。IPSP 能讓裝置透過低功耗藍牙傳輸層的 IPv6 封包，探索其他支援 IPSP 的裝置並與其通訊。絕大多數的低功耗藍牙晶片大廠現在都在自家堆疊中納入此傳輸層。

加入 IPSP 後，低功耗藍牙裝置就能透過簡易且便宜的路由器或閘道器（圖 3）與其他任何 IPv6 功能裝置進行通訊。這些路由器能當作中間裝置，不進行任何分析或操控就轉送 IPv6 封包，因此數百萬台現役但先前不相容於低功耗藍牙術的裝置（如機上盒 (STB) 或 Wi-Fi 路由器），現在也都能以便宜的方式改裝當作路由器。

圖 3：藍牙 4.2 在低功耗藍牙中（原稱 Bluetooth Smart）引進網際網路協定支援設定檔 (IPSP)，能讓裝置利用簡易且便宜的路由器，透過網際網路連線與其他任何 IPv6 功能裝置連線。甚至可透過智慧型手機閘道器存取網際網路，若此裝置可行的話。（圖片來源：Nordic Semiconductor）

藍牙 4.2 能對抗駭客

藍牙 4.2 還引進一些安全要素，若智慧型燈泡等藍牙低功耗裝置，在無人為介入下會定期連接網際網路，能排除遭駭風險。

第一個要素是低功耗 (LE) 安全連線。在藍牙 4.2 之前，安全簡易配對一直是藍牙安全性的基礎建構要件，只有在產生與散佈幾個加密金鑰後才會進行裝置連線，包括一個短期金鑰 (STK) 與三個長期金鑰，以便進行鏈路層加密和驗證 (LTK)、連線簽章解析 (CSRK) 以及身分解析 (IRK)。

藍牙 4.2 引進更高強度的安全機制。在金鑰管理方面，此規格加入了非對稱橢圓曲線加密法 (ECC)，並使用聯邦資訊處理標準 (FIPS) 所建議的橢圓曲線。此外也使用 FIPS 核准的先進加密標準計數器，搭配 CBC-MAC (AES-CCM) 加密法進行訊息加密。如此一來，可在相鄰裝置之間達到增強的鏈路層安全性，藉此保護無線鏈路，以免遭受被動竊聽與中間人 (MITM) 攻擊。

藍牙 4.2 新增的第二個安全性功能是 LE 隱私權。此功能會管理控制器裝置及主機裝置中的私人位址解析，同時支援在控制器層級建立私人位址白名單。

另外，藍牙 4.2 將功率等級 1 的最大發射功率模式從 +10 增加到 +20 dB，因此設計者就無需使用外部電源配接器，藉此節省空間與成本。相較於藍牙 4.1，封包容量也從 27 位元組擴大到 251 位元組，資料傳輸範圍也提高至 2.5 倍。這些改進能讓裝置之間以更有效率的方式透過網際網路進行通訊和連線，並能加速上傳速度，且更頻繁進行空中 (OTA) 韌體更新。

規格升級後解決方案迅速推出

有鑑於低功耗藍牙的開放標準和市場成，在藍牙 4.0、4.1 與 4.2 採用後不久，許多廠商和產品紛紛投入市場。一般來說，這些都採行 SoC 途徑。Nordic Semiconductor 在 2012 年推出的 nRF51 系列就是個好例子。該系列以 ARM Cortex-M0 處理器為基礎，並含有低功耗藍牙收發器、快閃與 RAM 記憶體、板載電源管理以及少量的 I/O。

Dialog Semiconductor 的 DA14680 SoC 也採用類似的作法。此晶片是符合藍牙 4.2 規格的裝置，含有 ARM Cortex-M0 處理器、低功耗藍牙無線電、8 Mb 快閃、64 kB OTP ROM、128 kB 資料 SRAM、128 kB ROM、晶片上電源管理以及其他幾個周邊裝置（圖 4）。

圖 4：Dialog Semiconductor 的 DA14680 是藍牙 4.2 規格 BLE SoC 架構的典型範例，並具有嵌入式 ARM 處理器、靈敏 2.4 GHz 無線電、快閃、RAM 與 ROM。（圖片來源：Dialog Semiconductor）

除了 Nordic 與 Dialog 外，多家藍牙 4.1 與 4.2 IC 廠商目前也提供解決方案供開發人員使用。值得注意的有 Texas Instruments (TI) 和 Cypress Semiconductor。

藍牙 5 擴大傳輸範圍和頻寬

最新的藍牙技術，藍牙第 5 版（並非預期的 5.0 版）在 2016 年 12 月推出，讓低功耗藍牙技術更進一步成為物聯網的基礎技術。新版推出重大改進項目，擴大了傳輸範圍和頻寬。

頻寬的提升來自於 2 Mbps PHY，相較之下，低功耗藍牙之前版本僅用 1 Mbps PHY。由於藍牙 5 的封包結構中有固定的額外負載，因此 PHY 頻寬加倍並不會直接讓數據傳輸量倍增，但開發人員可以合理預期數據傳輸率可達到約 1.4 Mbps，而藍牙 4.2 的 1 Mbps PHY 只有 800 kbps（圖 5）。

圖 5：藍牙 5 保留藍牙 4.2 的 251 位元組酬載，但 2 Mbps PHY 可縮短傳輸時間並提高頻寬。藍牙 4.2 可使用 1 Mbps PHY 達到 800 kbps，藍牙 5 則可使用 2 Mbps PHY 達到 1.4 Mbps。若使用藍牙 5 的傳輸範圍擴大功能，就會失去頻寬優勢。（圖片來源：Bluetooth.com）

更快速的傳輸量對許多應用雖然有益，但物聯網的關鍵優勢在於更快速的 OTA 更新。對於需要定期改進以提供更多功能性與安全性的物聯網感測器而言，這是重要的考量點。另外，使用 2 Mbps PHY 能節省電力，因為在傳送指定資料量時，無線電作用的時間比 1 Mbps 裝置短。無線電處於深度睡眠模式的時間也會更長，因此能進一步降低耗電。

藍牙 5 提供的傳輸範圍是藍牙 4.2 的 4 倍之多，能為眾多物聯網應用帶來優勢。舉例來說，在此範圍下，屋內所有的智慧型照明都可透過星形拓撲與中樞通訊，而不需使用較複雜的網狀網路（通常是用來擴大低功率無線技術的傳輸範圍）。傳輸範圍能擴大是因為使用前向誤差校正 (FEC) 技術，此技術會在接收器端偵測並修正通訊上的誤差。重點在於，基於此技術的超低功率本質，傳輸範圍擴大並無需提升發射功率。

對工程師與開發人員而言，「傳輸範圍」的定義是，能從接收之訊號正確擷取資料下的最大距離。範圍擴大時，訊噪比 (SNR) 也會提高，也會開始出現解碼誤差。藍牙接收器可以耐受忍受的最大位元錯誤率 (BER) 為 0.1%，超過就會導致通訊故障。與其提升發射功率，應提高接收器的靈敏度，如此才能在更大收訊範圍下達到最大 BER。

藍牙 4.2 使用循環冗餘檢查 (CRC) 來檢查是否發生封包錯誤。接收器會重新計算 CRC，並將此值與發射器附加至封包的值比較。兩者之間若有差異，則表示發生錯誤。然而，藍牙 4.2 並無機制可在接收器端進行錯誤修正。反之，接收器通常會要求重新發送封包，因此會降低整體傳輸率。

藍牙 5 的 FEC 技術可提高接收器的靈敏度，且無需變更硬體。缺點是該技術會在封包內加入冗餘位元，以利錯誤修正。這會將有效的數據傳輸率降至 500 kbps 或 125 kbps，視套用的編碼機制而定（共兩種）。可惜的是，2 Mbps PHY 並不支援 FEC，因此無法針對冗餘位元所造成的較低有效傳輸率進行補償。

由於 FEC 會降低有效傳輸率，藍牙無線電使用（四倍）遠距操作傳輸指定資料時，必須處於高功率狀態更長的時間。相較於未編碼的傳輸，可能會以多達 13 倍的時間來傳送標準低功耗藍牙封包的酬載，視使用的編碼方案而定。雖然峰值功耗不受影響，但平均功耗會大幅提升，進而加快消耗電池的電荷。

至於其他增進項目，藍牙 5 也引進了廣告擴充項目。廣告擴充項目將酬載大小從 27 位元組提高至 251 位元組，能更有效率傳輸資料。最有可能運用此特點的應用是信標應用，能讓零售商在廣告封包中納入更多資訊，傳送至消費者的智慧型手機。最新版本的另一項特點在於可使用資料通道進行廣播。

市面上才剛出現符合藍牙 5 規範的商用 BLE 晶片。其中一個解決方案就是 TI 的 CC2640R2F SimpleLink 低功耗藍牙 SoC。 此藍牙 5 晶片整合了 ARM Cortex-M3 處理器、符合藍牙 4.2 與 5 規範的 2.4 GHz 無線電，具有 -97 dBm 靈敏度，晶片上 DC/DC 轉換器，以及精選的 I/O 與周邊裝置。此 SoC 亦享有來自 TI 豐富的 SDK、公版設計與其他軟體工具支援。

藍牙 5 目前不支援 ZigBee 與 ANT+ 等競爭技術的網狀網路功能。有些製造商依照低功耗藍牙實作了專屬的網狀技術，其中值得注意的是 CSR（目前已納入 Qualcomm 旗下）。由於網狀網路很可能成為物聯網應用的關鍵要素，藍牙技術聯盟也理所當然地著手開始實作。我們能預期藍牙標準下一次的更新（2017 年底），將支援網狀網路。

結論

藍牙第 4.1、4.2 與 5 版標準針對低功耗藍牙 RF 協定軟體（「堆疊」）進行許多重大升級改進，讓此介面更加適合用於需要更低功耗、更大傳輸範圍和更高傳輸率的應用。然而，這些改變也令人產生一些混淆。開發人員必須先全面瞭解更新項目及其可能造成的影響，才能充分利用最適合其應用的藍牙版本。

誠如上述，市面上隨處都有適用於舊版藍牙的產品解決方案，而藍牙 5 則迅速推出中。這些解決方案讓任何感測器、產品或電器透過簡易且便宜的路由器連線到物聯網，而無需透過智慧型手機等複雜的閘道器。經由這種連線，即使是最普通的現代產品也將顯著獲得功能增強，並可在裝置的生命週期中頻繁更新。

第 2 篇簡介：謹記，此文章系列的第二篇將說明如何運用多種符合藍牙 4.2 和 5 標準的 SoC 與模組來設計產品。

這些元件搭配合經過實證的堆疊、開放原碼應用軟體、公版設計與原廠隨附的開發工具，以足以略過 RF 工程背後許多艱辛的過程。本文章將說明，雖然低功耗藍牙無線產品的開發仍非易事，但工程師還是能避開陷阱，提出既符合法規和藍牙規範，又能令客戶滿意的設計。

參考資料：

1. “Getting Started with Bluetooth Low Energy,” Kevin Townsend, Carles Cufí, Akiba, and Robert Davidson, O’Reilly.
2. “Bluetooth Low Energy: The Developer’s Handbook,” Robin Heydon.
3. “Exploring Bluetooth 5 - Going the Distance,” Martin Woolley, Bluetooth.com.
4. “A look in to Bluetooth v4.2 for Low Energy Products”