使用蓝牙5增强信标

Joe Tillison  （Silicon Labs公司）
摘  要：讨论了蓝牙5中添加的广告扩展（advertising extension）和其他重要功能，这些功能可用于构建具有 扩展功能的第二代信标，从而支持更多功能丰富的接近感知（proximity-aware）应用。 

关键词：信标；蓝牙5；广告扩展；接近感知

0  引言 

低功耗蓝牙（Bluetooth LE）信标已经在市场上 部署了几年，并且已成为接近感知应用的领先技术选 择。Bluetooth LE的低功耗和简单性，再加上其在智 能手机中的普遍使用，可实现低成本、电池供电的信 标，并使信标能广泛应用于智能手机应用程序中基于 位置的服务。到目前为止，Bluetooth LE信标依靠的是 最初在蓝牙4.0中定义的广告包结构，信标内容被填充 到有限的31字节有效负载中。蓝牙5为Bluetooth LE引 入了几个主要增强功能，包括新PHY层和广告扩展。 这些增强功能大大增加了广告机制的功能性和灵活 性，包括更大的广告包容量。 

在本文中，我们将简要回顾信标基础知识，然后 讨论这些新的蓝牙5功能以及它们如何使第二代信标 具有更完整、更丰富的内容。本文推荐参考2016年无 线大会（Wireless Congress 2016）的介绍性文章，标 题为《使用低功耗蓝牙技术开发信标》^[1]。

1  信标基础概述 

1.1 什么是信标以及如何使用？ 

一般而言，信标是一种小型、廉价的无线设备， 通常由电池供电，使用低功耗蓝牙技术来广播其存 在。信标通常被描述为灯塔的射频版本，反复广播其 范围内其他设备可以识别的标识符。智能手机或平板 电脑可以使用信标的标识符来触发基于信标接近度的操作。接近度的概念非常重要，因为信标不会直接提 供有关其确切物理位置的信息；接收信标的设备只会 知道它在信标附近。此外，信标也是可以移动的。 

需要注意的是，蓝牙技术联盟（SIG）没有定义 信标标准。取而代之的是有来自大型操作系统提供商 的各种信标标准，例如苹果公司的iBeacon和Google的 开源Eddystone，并且还有许多用于封闭系统的专有信 标格式。 

1.2 两种信标使用模式 

信标通常用于两种情况。上面描述了第一种，也 是最常见的，即通过智能手机/平板电脑检测放置在固 定位置或连接到可移动对象上的信标，并根据其接近 度触发行为。一个示例是推荐与物理环境有关的Web 内容，例如显示公交车站的时刻表。另一个示例是通 过使用特意在大型设施（如机场或医院）周围安装的 信标网络提供室内导航。 

第二种情况是使用固定的扫描器节点监视标有信 标的对象在通过监视区域时的状态。扫描器通常是另 一个网络的一部分，该网络将这些信标ID报告给后台 应用。该模型可应用于昂贵工具和设备的地理围栏、 计数牲畜的移动或跟踪货物。 

1.3 接近感知示例应用 

上述两种使用场景都依赖于接近感知。在第一种 情况下，用户的智能手机接近信标。在第二种情况 下，信标接近信标扫描节点。在零售和商业领域都可发现两种模式的应用。 

iBeacon的最早应用专注于零售购物体验。遍布整 个商店的信标允许相关应用程序根据用户的购买历史 和在商店中的位置向用户显示个性化消息。一些商店 通过信标显示特价促销品而吸引路人。如今，大多数 大型零售商要么正在积极使用信标，要么正在现场试 验中对其进行测试以衡量ROI（投资回报率）。 

其他应用包括销售终端系统，例如自动售货机。 举例来说，当顾客接近启用信标的自动售货机时，该 顾客的智能手机可以显示指向网站的链接，该网站会 建议喜欢的商品或安全付款选项菜单。类似的应用案 例正在快餐速递中试用。如果顾客已经使用餐厅的应 用程序预先选择了他们的订单，则信标允许该应用程 序检测他们何时到达餐厅以及停车的位置，以便准备 餐食。 

信标的商业用途也正在蓬勃发展。如上所述， 信标可用于跟踪和管理重要资产，例如昂贵的电动 工具。具有信标功能的工具可以定期广播“我在这 里”，以便库存管理系统能够确定它何时位于工具箱 中、车间中，还是根本不在范围内。由于所有信标都 可以设计为同时支持常规Bluetooth LE数据服务（基于连接），因此除了信标本身以外，它们还可以合并其 他有用的功能，例如，库存系统可以读取工具的电池 状态、工作时间和电机性能历史记录。这对于管理工 具的利用率和使用寿命具有显著的意义。某些后台系 统甚至可以通过使用另一位用户收集的信标数据，在 所有者的范围之外找到加标签的资产。 

随着蓝牙mesh在商业照明应用中的普及，具有吸 引力的信标新应用正在兴起。照明供应商开始意识到 在每个灯具中集成基于mesh的照明控件和集成信标 （或信标扫描器）以提供其他服务的协同效应，例如 室内导航或跟踪仓库中的货箱或货盘。

2  使用蓝牙4.x的信标 

2.1 Bluetooth Low Energy 4.x广告包 

Bluetooth LE规范版本4.x在（2.4～2.5）GHz ISM 频段中定义了40个2 MHz宽的信道，其中保留了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）。广告包和数据包都使用具有可变大 小有效载荷的相同格式，并且仅通过所使用的信道来 区分。广告包以明码形式发送，数据信道可以加密。 在4.0版本中，广告包和数据包都具有最大31字节的有 效负载。4.2版本将数据信道有效负载增加到255个字 节，但保持广告包不变。 

一个被完全利用的广告包需要花费376 µs进行 传输。在进行广告广播时，会在所有3个广告信道上 发送相同的包，以增加扫描器接收到其中1个的可能 性。因此，整个广告事件通常要花费1 ms以上。 

信标通过利用Bluetooth LE的广告信道来广播已知 的信标标识符，从而有效工作。它们使用标准的广告 包格式，但随后进一步对有效负载进行子格式设置， 以遵循其预先设定的信标标准中的预定义结构。信标 标识符通常包括通用唯一标识符（UUID），该标识 符允许将单个信标与任何其他信标进行唯一性区分。 

在传统的Bluetooth LE应用中，可连接的广告包 会提供标识广告节点的信息，并在其后跟随一个侦听 周期，在此期间扫描器可以请求访问该节点的数据。 相比之下，信标通常使用不可连接的广告，广播但从 不侦听，因此它们在广告包自身提供了所有有用的信 息。同时支持信标和其他服务的混合设备可以交错可 连接广告包和不可连接包。传输的包类型由PDU标头 中的PDU类型字段标识，这是在保持向后兼容性的同 时添加蓝牙5扩展广告功能的关键。 

2.2 挑战与局限 

Bluetooth LE 4.x版本信标的最大限制是较短的广 告包长度。由于仅使用31字节的数据有效载荷，4.x 版本广告包限制了信标可以提供的信息量。苹果的 iBeacon使用此有限的有效载荷来提供唯一的信标ID。 Google的URIBeacon使用它来广播指向Internet资源的 压缩URL，Eddystone信标使用多种不同的帧类型来满 足各种信标用例的需求。 

另一个挑战来自创建支持多种格式的通用信标 的需求。假设有人想同时支持iBeacon和EddystoneUID，并且可能需要第三种专有格式的健康数据信标，而又不必使用3个不同的物理信标。想达到此目 的，设备需要分别对每个不同的信标进行广播，并交 错每个不同的格式。这样可以从单个物理设备成功创 建多个虚拟信标，但是由于交错是由活动处理器在应 用级别进行管理的，因此会在有限的电池资源上造成 更快的消耗。 

覆盖范围也可能是一个限制。在零售商店等密集 的信标环境中，短距离是可取的，因为它为接近服务 提供了更好的准确性。但是某些应用需要更远的范 围，例如大型大学、公司园区或机场。 

Bluetooth LE本身的成功是另一个新出现的挑战。 这3个广告信道变得越来越拥挤。在使用蓝牙mesh的 环境中，这种情况尤其严重，蓝牙mesh使用3个广告 信道进行所有网状网络通信。

3  蓝牙5增强功能 

蓝牙5对低功耗标准的几个要素进行了增强，包 括首次为LE无线电提供了新的PHY定义。它还为跳频 算法添加了替代信道选择方案，提供了更高的发射功 率，并允许对广告机制进行多次改变，这些统称为广 告扩展（Advertising Extension）功能。 所有这些增强 功能旨在保持与4.0版本标准的向后兼容性。 

1）2个新PHY 

添加了2个新的物理层定义，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将先前的1 Mbps数据速率提高了1 倍，这是4.0版本中原始Bluetooth LE规范的一部分。 由此产生的更高吞吐量可为空中传输大量数据（例如 固件更新）的应用提供显著改善的用户体验。较高 的数据速率以射频范围为代价，覆盖范围降低了约 20％，但对功耗产生了有益的影响（因为无线电广播 时间更短）。 

顾名思义，LE Coded PHY使用附加编码和前向 纠错功能来改善接收器端的可靠信号接收。使用2种 可选的编码方案，有效地扩展了1M PHY范围到之前 的2~4倍。然而，更远的范围是以吞吐率为代价的， 这是因为编码器需要将每个数据位转换为多个符号来进行射频传输。由于无线电的广播更长，因此Coded PHY也增加了功耗。 

2）10倍发射功率 

在蓝牙5之前，Bluetooth LE发射功率被限制为最 大10 mW（+10 dBm），而在蓝牙5的情况下，最大发 射功率增加到100 mW（+20 dBm）。但是，应该指出 的是，在某些地区，尤其是欧盟国家，如果不使用蓝 牙5中添加的新信道选择算法（CSA＃2），则无法使 用+20 dBm。CSA＃2对自适应FHSS算法强制使用最 小信道数，以确保射频功率频谱密度保持在规定限值 以下。这2个规格的联合增强作用使Bluetooth LE发射 器的发射功率达到之前允许的10倍，覆盖范围达到原 始Bluetooth LE规范的2倍以上。 

3）广告扩展 

蓝牙5对从Bluetooth LE 4.0版本以来采用的简单 广告包进行了实质性增强，其中包括： 

● 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保持相同的结构，最大 数据有效载荷为31字节。但是，现在将3个原始广 告信道定义为“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 可以用于广告。这些被定义为次广告信道。次广告信 道可以承载更大的数据有效载荷，最大254字节，并 可以使用任何PHY，包括新的2 M和Coded PHY。 

所有Bluetooth LE广告活动仍然从3个主广告信道 开始。但是，为了实现增强的广告功能，同时保持向 后兼容性，添加了新的广告PDU类型，其中包括一 种用于主广告信道上的新型广告包类型。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 提供其余数据（使用新的扩展包格式）。它包含1个 指针，该指针指定将使用哪个信道和PHY，以及何 时发送新包。这种安排提供了额外的好处，不仅支持 更大的广告包，而且还分担了来自3个主广告信道的流量。 

用于次广告信道的较大广告包可以包括指向另一 个信道上的后续广告包的指针（使用同一PHY）。这 被称为广告包链，它允许创建甚至大于254字节的广 告有效载荷。 

广告数据集的添加允许Bluetooth LE链路层交错多 个广告事件，每个事件具有不同的广告有效负载集， 且无需主机处理器参与。这些广告事件中的每一个都 是Bluetooth LE状态机中广告状态的单独实例，并且每 个数据集可以具有不同的广告参数（PHY、包格式、 广告间隔、功率等级等）。这允许单个物理信标更优 雅地支持遵循不同标准的多种类型的信标。将交错任 务从主机处理器卸载到链路层可以释放主机资源，并 可以更有效地支持多种信标格式。 

蓝牙5还引入了在次广告信道上的广告事件之间 使用确定性计时的功能，这称为周期广告。在4.x版本 中，广告事件之间的间隔包括1个随机因素，以确保 任意2个设备不会因为射频通道上的循环冲突而无意 间相互同步。借助周期广告，扫描设备可以在已知的 固定定时间隔内执行扫描，更有效地管理射频接收器 的活动时间，从而降低功耗。广告设备在主广告信道 上定期地发送新的广告事件，该事件指向同步数据， 从而允许新的扫描器同步到周期性广告间隔。周期广 告在使用信标标记进行资产跟踪的应用中可能会有所 帮助。并非巧合的是，这也为使用Bluetooth LE无线电 以广播方式传输音频铺平了道路。 

在蓝牙4.x中，不可连接的广告事件（nonconnectable advertising event）之间的最小允许间隔 为100 ms，而蓝牙5将其减少到20 ms。这称为高占空 比不可连接广告（High Duty Cycle Non-Connectable Advertising）。如我们所讨论的^[1]，较短的信标间隔可 以提供更好的定位精度和响应时间，尤其是对于移动 物体。 

最后，尽管不是直接改变广告包格式，但蓝牙5 还增加了对扫描事件报告（scan event reporting）的支 持。这允许广告设备将扫描请求报告给主处理器（从 另一设备接收广告的后续响应）。在肯定表示已成功听到广告的指示下，主机应用可以采取适当的措施， 例如在一段时间内关闭后续的广告事件。这对于管理 信标资产标签中的电池寿命特别有利。

4  高级信标 

蓝牙5中的Bluetooth LE广告机制实现的广泛增强 功能为更高级的信标打开了无数的可能性。 

明显而直接的好处是，信标可以利用较大的广 告包或链接的包，从而可以在广告事件中提供更多 内容。考虑当前Eddystone格式的情况，该格式根据 需要广播的信息定义了4种不同的帧格式。虽然每种 格式单独使用仍然有好处，但如果将其中某些格式 组合使用（例如将UID框架与URL和TLM框架组合 在一起），效率也很高。信标可以在1个信标事件中 发送其ID、上下文相关的URL和健康数据（温度、 电池电量、异常数据等）。由于不需要URL压缩， Eddystone-URL信标也可从较大的广告包中受益。使 用常规URL可以提高网络安全性（缩短的URL能够掩 盖恶意目标地址并绕过内容过滤器）。 

前文强调了另一个好处——使用广告数据集，单 个物理信标能够支持多个信标标准，每个标准具有不 同的数据包时序和格式。由于新的PDU类型与传统的 PDU类型向后兼容，它们甚至可以支持将使用传统广 告包（iBeacon，Eddystone，AltBeacon等）的信标与 基于新扩展广告的信标混合。这意味着基于蓝牙4.0信 标的现有应用仍可与蓝牙5信标兼容，从而在升级到 更多增强功能的同时实现平稳过渡。 

通过卸载3个主广告信道的通信量，利用次广告 信道的信标使得每个使用Bluetooth LE的环境都将受 益，无论是信标还是其他方式。这有助于减少射频冲 突的可能性并提高可靠性，尤其是在同时使用信标和 蓝牙mesh的设备中（如前所述），这些设备专门使用 3个主广告信道进行所有网络通信。 

要求远距离的信标只是较大的信标市场的一小部 分，但是由于增加了对更高发射功率的支持，并增加 了LE Coded PHY，蓝牙5将使信标范围达到以前的4 倍。这些对于在几百米而不是几十米的距离内进行测量的应用非常重要，例 如航空货运集装箱跟踪。 

令人兴奋且重要的是，蓝牙5中的广告扩展不需 要升级到新芯片。只要芯片具有足够的内存，没有在 ROM中预编程协议栈，并且支持固件更新，那么只需 在现有硬件上进行固件升级即可支持广告扩展。当然， 这取决于芯片供应商，以及他们是否选择使用其软件开 发工具在现有芯片上支持蓝牙5功能。

5  结论 

蓝牙SIG宣称，相比以前版本，蓝牙5实现了2倍的 速度、4倍的范围、8倍的广播容量。所有这些增强功能 都使信标市场受益，尤其是广告扩展，它极大地扩展了 信标技术核心的广告功能。此外，零售市场之外提供基于接近的服务的许多应用仍处于试验阶段，而普通公众 需要时间逐渐习惯于使用这些服务。尽管如此，市场潜 力仍然很大，因此吸引了众多竞争者。这将刺激创新的 动力，并借助现已构建的模块去实现蓝牙5高级信标， 早期采用者将很快成为市场上的真正“信标”。

参考文献： 

[1] TILLISON J.使用低功耗蓝牙技术开发信标[C].无线大会2016 （Wireless Congress 2016）. 

[2] 蓝牙核心规范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协议规范[EB/OL].https:// github.com/google/eddystone/blob/master/ protocolspecification.md.