2.4-GHz專用射頻(RF)和藍(lán)牙4.0 HID應(yīng)用對(duì)比

隨著無線技術(shù)在人機(jī)接口設(shè)備（HID）的不斷廣泛應(yīng)用，市場(chǎng)上更多的的HID產(chǎn)品集成了無線技術(shù) (如無線鍵盤、無線鼠標(biāo)，等等）。一般情況下，開發(fā)人員的選擇常常局限于以下兩個(gè)方面：根據(jù)應(yīng)用來開發(fā)最優(yōu)的專用協(xié)議，或遵循常用的無線標(biāo)準(zhǔn)（如藍(lán)牙）。盡管無線標(biāo)準(zhǔn)體現(xiàn)出了其互通的優(yōu)勢(shì)，但它們也帶來了設(shè)計(jì)復(fù)雜和增加不必要開銷的問題，這導(dǎo)致系統(tǒng)的成本提高了。另一方面，專用協(xié)議使開發(fā)人員在定制應(yīng)用方面更靈活，開發(fā)步驟更簡(jiǎn)潔。

選擇PC HID射頻的關(guān)鍵是成本（PC HID市場(chǎng)價(jià)格相當(dāng)敏感）、安全性、范圍、功耗、反應(yīng)時(shí)間、干擾、協(xié)同定位，和易于設(shè)計(jì)。一般來說，市場(chǎng)上標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議比專用協(xié)議更具有競(jìng)爭(zhēng)力，因?yàn)樗乖O(shè)備之間具有互通性。然而，直到2009年，在PC HID方面，只有專用協(xié)議占據(jù)了市場(chǎng)。這主要?dú)w結(jié)于沒有任何一種無線標(biāo)準(zhǔn)對(duì)PC HID市場(chǎng)來說在成本、功耗和效率方面是最優(yōu)的。隨著低功耗藍(lán)牙無線技術(shù)試圖進(jìn)攻低功耗市場(chǎng)，我們可以預(yù)見到新的無線電標(biāo)準(zhǔn)將要占據(jù)PC市場(chǎng)一席之地。這篇文章比較了藍(lán)牙4.0無線技術(shù)和專用協(xié)議在HID市場(chǎng)的應(yīng)用。

專用射頻解決方案
為了在2.4GHz射頻帶得到一個(gè)可靠的通訊鏈接，專用射頻網(wǎng)絡(luò)充分利用了自己的協(xié)議。網(wǎng)絡(luò)工作在安靜的渠道，以確保橋從節(jié)點(diǎn)接收到數(shù)據(jù)包。如果通道變得擁擠，網(wǎng)絡(luò)會(huì)搜尋到一個(gè)安靜的通道，在那里建立通訊并成功傳輸。如果硬件支持直接序列擴(kuò)頻(DSSS)傳輸，當(dāng)檢測(cè)到干擾時(shí)，協(xié)議將切換至該模式，并開始尋找一個(gè)比較安靜的通道。這些協(xié)議不遵循任何IEEE標(biāo)準(zhǔn)，他們代碼小并優(yōu)化，專門致力于功耗和封包開銷要求嚴(yán)格的應(yīng)用。

低功率藍(lán)牙
藍(lán)牙技術(shù)是一種短距離通信系統(tǒng)，它意欲替換電纜來連接便攜或固定的電子設(shè)備，屬于IEEE標(biāo)準(zhǔn)。藍(lán)牙無線技術(shù)有兩種形式：基本速率(BR)和低功率(LE)。這兩種系統(tǒng)都包括設(shè)備發(fā)現(xiàn)、連接建立和連接機(jī)制。低功率藍(lán)牙還可以進(jìn)行特色設(shè)計(jì)，可以設(shè)計(jì)出比BR藍(lán)牙更低功耗、更低復(fù)雜性、以及更低成本的產(chǎn)品。低功率系統(tǒng)也可應(yīng)用于的數(shù)據(jù)率較低，具有較低的占空比的案例。使用這兩個(gè)系統(tǒng)的設(shè)備可以互相通訊。

成本
無線HID市場(chǎng)對(duì)價(jià)格要求是相當(dāng)嚴(yán)格的。無線HID產(chǎn)品開發(fā)人員往往關(guān)心的是要選擇一種低成本的單片機(jī)作為他們應(yīng)用的射頻基帶控制器。這個(gè)單片機(jī)還需要有足夠的閃存來儲(chǔ)存無線協(xié)議棧。因?yàn)榈凸β仕{(lán)牙是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)、堆疊代碼的大小遠(yuǎn)比為專有協(xié)議大得多，從而要求更大閃存，致使成本增加。無線HID市場(chǎng)一直被專有協(xié)議占有，因?yàn)樗麄儏f(xié)議棧小。然而，專有網(wǎng)絡(luò)需要外部的橋連接到PC 或主機(jī)，以便他們可以和網(wǎng)絡(luò)中的其他設(shè)備通話。藍(lán)牙技術(shù)在大部分的個(gè)人電腦和手機(jī)比較常見，這些設(shè)備會(huì)有一個(gè)完整的雙模式藍(lán)牙橋 (BR和LE)，以后將不需要外部的橋。低功率藍(lán)牙和我們今天所用的藍(lán)牙不同，它是一種“always-off”技術(shù)。這使得使用低功率藍(lán)牙的設(shè)計(jì)可以用一個(gè)小紐扣電池就可以實(shí)現(xiàn)多年的電池壽命。藍(lán)牙技術(shù)是由藍(lán)牙SIG（特殊興趣小組）維護(hù)的一種標(biāo)準(zhǔn)，任何藍(lán)牙相關(guān)設(shè)備都需要經(jīng)過這個(gè)認(rèn)證委員會(huì)認(rèn)證，這就進(jìn)一步增加了開發(fā)成本。

功耗
專有射頻芯片制造商通常在datasheet上不完全披露功耗。他們會(huì)指出功耗取決于占空比。因此開發(fā)人員必須使用實(shí)驗(yàn)板的設(shè)置和他們各自的固件測(cè)試環(huán)境來獲得自己想要的功率消耗數(shù)據(jù)。由于功耗是HID市場(chǎng)的主要關(guān)注點(diǎn)，低功耗藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：在一個(gè)最大3 ms的數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用一般不會(huì)超過20mA的峰值電流，在紐扣電池應(yīng)用中不會(huì)超過15mA。使用低功率藍(lán)牙無線技術(shù)的設(shè)備只需要消耗其他藍(lán)牙產(chǎn)品能量的一小部分。在許多情況下，低功率藍(lán)牙產(chǎn)品將會(huì)僅需要一顆紐扣電池就可以工作一年多的時(shí)間而不需要充電。例如，用這種方式，就可以用小的傳感器與其他設(shè)備（如手機(jī)或PDA）持續(xù)工作和交流。基于低功率藍(lán)牙實(shí)現(xiàn)的小型設(shè)備（例如手表和運(yùn)動(dòng)傳感器）將會(huì)擁有很多的低功耗的優(yōu)點(diǎn)。支持藍(lán)牙和低功率藍(lán)牙的雙模實(shí)現(xiàn)，將使用部分現(xiàn)有藍(lán)牙的硬件，共享物理收發(fā)器件和天線。雙模式的實(shí)現(xiàn)方式會(huì)和典型的藍(lán)牙技術(shù)基本保持同樣的功率消耗。

可靠性和安全性
防止其它技術(shù)干擾或共享相同頻段的能力非常重要，因?yàn)檫@也影響到用戶的性能。在2.4GHz干擾的魯棒性，是指能夠可靠地與802.11b/g、藍(lán)牙、WirelessUSB、以及一系列的無繩電話和微波爐共存。只有一個(gè)提供了良好的通道跳躍方法論的智能的編碼方式可以保證數(shù)據(jù)的可靠性。一些發(fā)射器件例如CYRF6936可以使用直接序列擴(kuò)頻(DSSS)和跳頻擴(kuò)頻(FHSS)傳輸，低功率藍(lán)牙只采用了跳頻技術(shù)，這和所有版本的藍(lán)牙技術(shù)相同。DSSS可以確保數(shù)據(jù)的魯棒性，一旦干擾太大了FHSS允許無線電信號(hào)馬上跳到一個(gè)新頻道。沒有DSSS也是藍(lán)牙相對(duì)于專有協(xié)議一個(gè)缺點(diǎn)，因?yàn)閷Ｓ猩漕l可以并存的在噪聲環(huán)境中，不必非得跳到一個(gè)比較安靜的頻道。低功率藍(lán)牙提供完整的AES-128加密技術(shù)，可以對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行強(qiáng)大的加密和驗(yàn)證。與此同時(shí)，這消耗了大量的數(shù)據(jù)包。為了確保系統(tǒng)的穩(wěn)定和可靠，開發(fā)著要根據(jù)設(shè)備的硬件能力和應(yīng)用要求的安全級(jí)別來選擇現(xiàn)有的專有協(xié)議還是標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議如藍(lán)牙。對(duì)于某些應(yīng)用場(chǎng)合，如無線鼠標(biāo)，安全不是必需的。

覆蓋范圍
無線HID應(yīng)用通常在一個(gè)比較短的距離通訊，因此超過十米的需要是非常罕見的。如果希望的通訊距離比較長(zhǎng)，設(shè)備的功耗也將增加。專用射頻協(xié)議提出，使用外部功率放大器，可以支持更遠(yuǎn)的距離，低功率藍(lán)牙規(guī)格提出了超過100米的可能范圍。

速度/吞吐量
低功率藍(lán)牙支持1Mbps的數(shù)據(jù)速率，這足以滿足無線HID的應(yīng)用。然而，由于額外的開銷，實(shí)際吞吐量?jī)H僅是256kbps。專用協(xié)議的優(yōu)點(diǎn)在于，根據(jù)應(yīng)用需求限制了包開銷，這就可以支持更高的吞吐量。對(duì)于一些應(yīng)用，例如游戲鼠標(biāo)，音頻應(yīng)用，和觸摸應(yīng)用，這些應(yīng)用需要大于250 kbs的有效吞吐量應(yīng)用，低功率藍(lán)牙的實(shí)現(xiàn)方式就不如專有標(biāo)準(zhǔn)了。

拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
多數(shù)無線HID應(yīng)用要求點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò) (例如，無線鍵盤或鼠標(biāo))或星型網(wǎng)絡(luò)(例如，傳感器網(wǎng)絡(luò))。專用協(xié)議將協(xié)議優(yōu)化為一個(gè)特別的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)?；谒玫膯纹瑱C(jī)和系統(tǒng)里從設(shè)備尋址方式，可以連接在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)的從設(shè)備數(shù)目是有限的。低功率藍(lán)牙技術(shù)優(yōu)化為一對(duì)一的連接，同時(shí)也允許一對(duì)多的星型拓樸結(jié)構(gòu)連接。通過使用快速連接和斷開，數(shù)據(jù)可以像網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)一樣移動(dòng)，但在復(fù)雜性上，不需要網(wǎng)狀拓?fù)淠菢泳S持網(wǎng)絡(luò)。例如，一個(gè)使用集成藍(lán)牙BR /LE電話的用戶可以通過腕表記錄脈搏，可以通過鞋記錄消耗的卡路里，可以通過帽子記錄外界溫度，前提是如果所有這些電路集成到藍(lán)牙LE。

認(rèn)證
藍(lán)牙專家組(SIG)是監(jiān)控藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展以及給制造商發(fā)放許可證和商標(biāo)的團(tuán)體。為了得到許可，公司就必須成為藍(lán)牙SIG的成員。SIG同時(shí)也負(fù)責(zé)管理SIG認(rèn)證程序，對(duì)于任何使用藍(lán)牙的產(chǎn)品來說認(rèn)證都是必需的，并且要預(yù)先得到藍(lán)牙技術(shù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)許可。SIG的主要任務(wù)是發(fā)布藍(lán)牙規(guī)格，保護(hù)藍(lán)牙商標(biāo)以及推廣藍(lán)牙無線技術(shù)。關(guān)于認(rèn)證過程簡(jiǎn)介，包括認(rèn)證步驟，認(rèn)證類型和費(fèi)用，都公布在藍(lán)牙SIG公眾門戶網(wǎng)站。在使用專有協(xié)議的情況下，許多廠商都提供了自己的認(rèn)證的規(guī)范，這方面幾乎是免費(fèi)的，所以產(chǎn)品開發(fā)人員可以在自己的終端評(píng)估協(xié)議，開發(fā)費(fèi)用和時(shí)間都可以減到最小。

應(yīng)用
使用專有射頻，任何應(yīng)用都可以很容易地修改協(xié)議。使用這種方法，可以通過改變輸出功率水平，應(yīng)用就可以修改以便適應(yīng)環(huán)境，工作在具有更好魯棒性的通訊方式下，或可以移動(dòng)到一個(gè)比較安靜的環(huán)境來通訊。

在市場(chǎng)遍布窄帶、本地、專有技術(shù)等連接解決方案的情況下，低功率藍(lán)牙技術(shù)本身有其不同之處:
*易實(shí)現(xiàn)和多廠商的互通性
*超低的峰值電流，平均功耗和空閑模式功耗
*低成本集成
*功率可控
*接口阻抗

低功率藍(lán)牙技術(shù)擴(kuò)展了個(gè)人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)(PAN)，包括小紐扣電池供電的藍(lán)牙設(shè)備。使用低功耗技術(shù)，體育衛(wèi)生保健設(shè)備，人機(jī)界面(HID)和其它娛樂設(shè)備，都可以增強(qiáng)優(yōu)勢(shì)。這項(xiàng)技術(shù)可以集成到很多產(chǎn)品，如手表，無線鍵盤、游戲和運(yùn)動(dòng)傳感器，它可以和host設(shè)備（例如移動(dòng)電話與個(gè)人電腦）進(jìn)行連接與通訊。

低功率藍(lán)牙技術(shù)的其他標(biāo)志特性還包括成本低，范圍廣。既然新的低功率藍(lán)牙芯片是如此的小，而且也不貴，這就加大了實(shí)施到日常消費(fèi)產(chǎn)品的可行性。例如，可以把它放在鞋底來追蹤一個(gè)人的速度、距離、步伐和其他統(tǒng)計(jì)資料。使用一個(gè)低功率無線標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品，例如低功率藍(lán)牙芯片嵌入到鞋底，電池的壽命超過一雙跑鞋的平均壽命，那么它能提供更長(zhǎng)時(shí)間的服務(wù)。

雖然低功率藍(lán)牙對(duì)于很多種應(yīng)用都看起來像一種不錯(cuò)的技術(shù)，但是在HID應(yīng)用采用這個(gè)技術(shù)之前，有一些存在的問題需要行業(yè)解決。當(dāng)然它不需要外部的橋，這是它的優(yōu)點(diǎn)。但是，當(dāng)電子行業(yè)準(zhǔn)備集成雙模式藍(lán)牙收發(fā)時(shí)就會(huì)遇到問題。把雙模式/單模式收發(fā)集成到host，也同樣會(huì)產(chǎn)生藍(lán)牙技術(shù)和WiFi、WiMax、典型藍(lán)牙設(shè)備、以及其他2.4 GHz技術(shù)共處的問題。這對(duì)開發(fā)人員提供完整方案來說，可能是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。那時(shí)候，暫時(shí)的解決辦法就是用一個(gè)外部橋和pc一起工作。由于低功率藍(lán)牙仍是在開發(fā)階段，所有應(yīng)用輪廓都還沒有最終確定，這將在相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)影響低功率藍(lán)牙應(yīng)用到無線HID領(lǐng)域。

雖然藍(lán)牙技術(shù)是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議，但它在綁定方法上的缺點(diǎn)也是不可避免的。例如，假設(shè)一個(gè)教室環(huán)境，這里有許多學(xué)生都使用藍(lán)牙鼠標(biāo)，并且所有人都試圖讓他們的鼠標(biāo)同時(shí)綁定在各自的pc機(jī)上。這時(shí)候可能發(fā)生交叉捆綁的情況，一只鼠標(biāo)跟別的電腦捆綁了而不是在應(yīng)該捆綁的那個(gè)。那些專有協(xié)議例如賽普拉斯半導(dǎo)體的方案就會(huì)避免這些問題，可以使用KISS (Keep It Simple Solutio)綁定，廠商綁定，和自動(dòng)綁定技術(shù)。如果開發(fā)人員試圖使用低功率藍(lán)牙用到這類HID應(yīng)用的話，他們需要屬于自己的綁定方法。

就像任何其他產(chǎn)品一樣，適應(yīng)應(yīng)用是成功的關(guān)鍵。低功率藍(lán)牙具備低成本、低能耗的特點(diǎn)，似乎在無線HID市場(chǎng)是一個(gè)好的方案。然而，當(dāng)?shù)凸β仕{(lán)牙吸引許多公司進(jìn)入無線HID市場(chǎng)的同時(shí)，它又不一定能成功，除非它實(shí)現(xiàn)了并且超過了專有協(xié)議早在十年前就已經(jīng)成功實(shí)現(xiàn)了的特性。