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    为什么蓝牙5.4很有趣?

为什么蓝牙5.4很有趣? 2023-11-09 Jacky Jin, Nordic Semiconductor

详细介绍蓝牙5.4的优势和特点
  1. 它解决了之前蓝牙版本无法解决的一对多的场景。新应用: ESL – 电子货架标签 (service+profile)。不仅限于ESL: 它也是工业应用的理想选择 (比如:传感器读取网络),其他广泛的应用, 适用于AP网关 + 低功耗标签系统

  2. 它是灵活, 可扩展, 低功耗, 优雅, 相对简单

  3. 它适用于超低功耗应用场景

  4. 它能够运行在量产的nRF52 & nRF53 SoC

  5. 它仅仅支持nRF Connect SDK开发, 仅支持Nordic SoftDevice Controller

一对多使用案例

一对多使用案例

如何使用同一个API处理100/1000/10000个 设备?

目标:

  • 星型网络 (假设设备都是可达的)
  • 超低功耗设备
  • 低接口 (先听再说 - 轮询机制)
  • 所有节点以某种方式同步 (避免混乱)
  • 双向通信 & 相对低延迟

可能方案一:

可能方案一

可能方案 (BT 5.0)

  • 所有的tag都扫描(low noise),
  • AP正在广播: AP携带它想要链接的扫描者的MAC地址,仅仅指定的tag能够跟AP创建链接

问题:

  • 扫描标签不是低功耗. 标签不知道,下一条期待的信息什么时候发送 (无法同步)
  • 网关不知道tag的状态 (tag无应答)

可能方案二:

可能方案二

可能方案 (BT 5.0)

  • 周期性广播 (数据信道)
  • 网关是周期性广播者; Tags是扫描者
  • 网关在ble数据信道发送同步广播包序列
  • 所有的tags被同步到周期性广播 ,同时监听非常短的时间 - 低功耗

问题:

  • Tags无法应答给网关
  • 它们都属于同一个“组”,因为它们监听同一个同步数据包:这限制了您可以寻址的标签 数量
  • 未优化:例如,采用 2 秒 PA 间隔,接入点只能每 2 秒与标签进行通信! 大多数时候它什么也不做!

Bluetooth 5.4 - PAwR

PA interval

PAwR 概念:

广播者在数据通道中发送一串同步数据包(与PA相同)

  • 新功能: 它引入了子事件: 更多同步数据包,更高效,它能处理分为不同组的更多标签
  • 数据包: 能是任意的同步包或者链接请求包 v2版本
  • Scanner (Tag) 能决定至少同步一个子事件

新功能:扫描者能发送应答包给广播者

新功能

让我们放大看:

放大看

PAwR-Response Slot:

PAwR-Response Slot

一对多使用案例:

使用案例

一对多用例的 PAwR

  • 网关是一个周期性广播者; Tags是周期性扫描者
  • 标签被分成多个组,每个组被同步到特定的子事件
  • Tags能在应答时隙里面发送应答包 (应用程序逻辑确保它们不会重叠)

专业性:

  • 轮询机制 ,低噪声&双向通信
  • 可以寻址数千个标签(在 ESL 中:最大为 255x128)
  • 所有标签都同步到AP——“彼此了解”
  • 低功耗(标签监听时间较短;如果不需要发送响应,可以立即进入睡眠状态)
  • 任何时候,AP都可以与任意标签建立GATT连接
  • 快速、灵活、可扩展:2Mbps,响应时隙为0.625ms; (最多 255 个响应槽;通常 对于 ESL:3-10); 还提供 1Mbps 和编码 PHY

缺点:

  • 与专有技术相比,用于标签/网关的 BLE 协议栈更大
  • 选择时序时,需要考虑的许多权衡(设备数量、延迟、功耗等)
  • 复杂的接入点,且未由 BT Sig 完全定义

电池寿命计算

需要电池寿命为五年的设备的能耗计算示例:

使用带有 PAwR 的 LE 1M PHY,传输速率为每秒 1,000,000 比特。假设广播间隔为 1.6 秒。假设观察者设备在该间隔内同步到一个子事件。典型的数据包大小约为 300 比特,这就要求接收器每 1600000 微秒活动 300 微秒。

157,680,000(五年内的秒数)/ 1.6 秒 * 0.000300 秒 = 五年内接收器活动 29,565 秒。这相当于接收器活动在五年内消耗了 8 个多小时的能量。蓝牙接收器活动的典型电流消耗量为 10 mAh(RX 峰值电流 10ma*1 小时),Nordic 会更低。因此,在这种情况下,大约 80(10mah * 8 小时) 毫安)。典型的纽扣电池容量为 150 mAh。

超低功耗 (扫描空同步包– 电流配置文件示例):

超低功耗

PAwR 解决了一对多的使用场景,优势:

  • TAG大部分时间处于休眠状态,低噪声+低功耗
  • TAG 与 AP 同步,并且可以发送带有有效负载的响应
  • AP 和标签相互了解(AP 可以轮询每个标签的状态,无需GATT连接),任何时候,AP都可以与任意标签建立GATT连接
  • 快速、灵活且可扩展:2Mbps时,响应时隙为0.625ms;(最多 255 个响应槽;通常对于 ESL:3-10); 还提供 1Mbps 和编码 PHY
  • Note:TAG(应用程序级别)决定同步哪个子事件以及使用哪个响应槽进行回复(如果要回复)
  • 我们需要一些应用程序逻辑! 例如 ESL简介/服务

PAwR主要的应用场景

ESL已经把PAwR标准化,电子货架标签 (ESL) 和数字标牌的应用场景:零售、办公室、仓库物流、摄影、农业。

其他适用PAwR场景:大型传感器网络、智能锁、餐厅寻呼系统、教室应答系统。

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