作者：Parker Dorris，Silicon Labs（芯科科技）藍牙產品經理

芯科科技藍牙產品經理Parker Dorris通過本文討論了藍牙6.0（Bluetooth 6.0）版本中添加的最新功能。

自藍牙1.0版本規范出現以來的25年里，藍牙技術已經增加了多項功能，這些增加的功能為眾多新型應用和市場開辟了道路。隨著最新藍牙核心規范6.0版本和藍牙Mesh的發布以及它們帶來的變化，這一技術的演進還在繼續。在未來幾年，藍牙的創新將為家庭、零售、分銷和工業自動化領域的用戶帶來嶄新的應用。

關于將藍牙功能擴展到新應用這方面的創新，一個重要的例子是使用新的藍牙信道探測（Bluetooth Channel Sounding）協議來支持安全且精細的測距。該協議允許在彼此無線覆蓋范圍內的兩臺設備以安全、準確的方式確定它們之間的距離，這進一步增強了低功耗藍牙（Bluetooth LE）中已經存在的位置服務和定位功能。

大多數現有藍牙設備都可以通過檢測從其他設備傳來的廣告來進行存在檢測（presence detection），然后分析射頻信號強度并將其轉換為距離信息，但測距精度僅在±5米左右。除了基本的存在檢測，以及粗略和精細的距離測量外，藍牙標準還支持使用到達角（AoA）和出發角（AoD）測量技術進行測向。

藍牙信道探測

承上所述，新的藍牙信道探測技術可在藍牙6.0設備之間實現安全精細的測距。該新協議可以利用藍牙的80 MHz帶寬和多信道特性，在全頻率范圍內進行音調（tone）測量和往返時間（round-trip-time）測量。這個過程從“發起者”設備和“反射者”設備開啟藍牙連接開始，先基于功能比較就測量配置達成一致，然后執行測距程序。

在信道探測過程中，發起者通過指定的2.4 GHz信道發送音調或數據包，反射者則通過將數據發回給發起者來進行響應。數據包的往返時間以及發送和接收的音調之間的相位差都可以用來確定距離。

通過加密的藍牙連接進行傳輸、數據包上的時間戳以及其他安全功能有助于防止其他節點進行欺騙應答并向發起者提供錯誤的距離估計。

在許多現實環境中，使用包括相位測量在內的信道探測技術進行精細測距時，在小于5米的范圍內可以提供±0.3米的精度，在大于5米的范圍內可以提供±0.5米的精度。

藍牙信道探測在工業、家庭和零售等環境中有許多應用，例如用于無鑰匙進入、資產追蹤和基礎設施定位。信道探測的準確性使其適用于基于地理圍欄的安全策略，在用戶接近時，為獲得正確授權的用戶開門；如果用戶在敏感區域停留太長時間，則會發出警報。類似的原理也適用于汽車和房屋的無鑰匙進入，只有當主人進入近距離時，系統才會開門。

藍牙Mesh擴展功能

藍牙Mesh 1.1引入了幾項新功能，旨在降低網絡設置和維護的復雜性與成本，并增強性能、安全性和可擴展性。新的藍牙Mesh標準的亮點總結如下：

遠程配置（Remote Provisioning）支持從一個位置將多個新設備添加到網絡中，這對于大規模部署特別有用。在該標準以前的版本中，需要在設備的無線電范圍內進行配置，這意味著需要一個人來調試設備。

基于證書的配置（Certificate-Based Provisioning）通過在配置過程中使用數字證書對設備進行認證來增強安全性。它確保只有授權的設備才能加入網絡，從而提供了額外的安全層。這在與遠程配置結合使用時特別有用，因為它可以最少的用戶交互實現設備的安全批量調試。

Mesh設備固件更新（DFU）功能標準化了藍牙Mesh網絡中的固件更新程序，并允許Mesh網絡中的設備固件進行高效的無線（OTA）更新。該標準還定義了一個BLOB（Binary Large Object，二進制大對象）協議，該協議使用多播和單播消息傳遞來將固件有效地傳遞到要更新的節點。此功能對于維護大型網絡特別有用，例如用于商業樓宇自動化的網絡。

子網橋接（Subnet Bridging）功能保留了納入子網的能力，以實現區域隔離，同時簡化網絡復雜性。由于每個子網都使用唯一的安全密鑰，因此子網橋接可以提高網絡的安全性，又因為在默認情況下，消息不會在子網之間轉發，還可以提高網絡的效率。

定向轉發（Directed Forwarding）功能允許中繼節點創建從源到目的地的直接路徑，從而提高了消息傳遞效率。這種多跳方法減少了所需的跳數，從而提高了網絡性能。

在新的藍牙Mesh 1.1標準中還包含了其他多項小的功能改進，以提高技術的性能、可用性或安全性。

這些更新使藍牙Mesh 1.1成為一個更強大、更通用的解決方案，可用于廣泛的應用場景，從智能家居到大型商業建筑和工業環境，等等。

大規模、超低功耗星型網絡

帶響應的周期性廣播（PAwR）是藍牙的另一項功能，它通過啟用無連接的雙向通信來提高大型藍牙網絡的通信效率。PAwR適合大多數節點都是相對簡單的固定元件的情況，例如目前在零售店使用的電子貨架標簽（ESL）顯示單元。通過標準化的藍牙ESL配置文件和服務，PAwR可以設置為支持多達128個PAwR子事件（Subevent），每個子事件最多可尋址255個唯一設備。這使得網絡規模可以超過32000個外圍設備。

雖然PAwR是為主要通信模式為一對多的網絡而設計的，但是它支持雙向通信，而子事件的使用以一種節能的方式實現了這一點。這使得PAwR特別適合功耗預算非常有限的ESL設備。當管理節點需要更新群組中的ESL時，它會發出子事件消息。與該子事件關聯的每個節點都有一個設計好的時段（slot），它們可以在這個時段進行回復（可能是一段消息），以確認已經應用了更新的價格。

或者，它可能會借此機會發送警報，讓管理員知道它的電池電量即將耗盡。通過這種時間同步的機制，ESL可以在其預期會被完全喚醒的時段之外關閉它的無線發射器和其他功能。對于固件更新等情況，節點可以利用藍牙連接獲得更高的數據吞吐量。之后，它們可以返回到節能的PAwR模式。

盡管零售業是PAwR的一個主要市場，但還有其他情況也可以從這種面向ESL的設計中受益。其中一個例子就是資產管理，在這類場景中，中央服務器需要對資產保持追蹤，例如倉庫中的貨盤或生產線環境中的產品運輸工具車。

為了確保PAwR協議能夠在現實場景中工作，芯科科技基于一個設備群（擁有500多臺支持PAwR的設備）進行了廣泛的測試，以確定在停電中斷同步后網絡的恢復情況。測試還顯示了PAwR協議可以在ESL設備上將電池續航時間維持到什么程度。測試表明，通過改變PAwR間隔時間，PAwR能夠在響應性和超低功耗之間取得平衡。

上述這些增加到最新藍牙標準中的新功能展示了該無線協議的活力，以及原始設備制造商（OEM）和集成商在為其系統開發硬件時采用最新芯片的價值。