2.4GHz專用射頻和藍牙4.0 HID應(yīng)用對比

隨著無線技術(shù)在人機接口設(shè)備（HID）的不斷廣泛應(yīng)用，市場上更多的的HID產(chǎn)品集成了無線技術(shù) (如無線鍵盤、無線鼠標，等等）。一般情況下，開發(fā)人員的選擇常常局限于以下兩個方面：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準（如藍牙）。盡管無線標準體現(xiàn)出了其互通的優(yōu)勢，但它們也帶來了設(shè)計復雜和增加不必要開銷的問題，這導致系統(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)步驟更簡潔。

選擇PC HID射頻的關(guān)鍵是成本（PC HID市場價格相當敏感）、安全性、范圍、功耗、反應(yīng)時間、干擾、協(xié)同定位，和易于設(shè)計。一般來說，市場上標準協(xié)議比專用協(xié)議更具有競爭力，因為它使設(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。這主要歸結(jié)于沒有任何一種無線標準對PC HID市場來說在成本、功耗和效率方面是最優(yōu)的。隨著低功耗藍牙無線技術(shù)試圖進攻低功耗市場，我們可以預見到新的無線電標準將要占據(jù)PC市場一席之地。這篇文章比較了藍牙4.0無線技術(shù)和專用協(xié)議在HID市場的應(yīng)用。

專用射頻解決方案
為了在2.4GHz射頻帶得到一個可靠的通訊鏈接，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)點接收到數(shù)據(jù)包。如果通道變得擁擠，網(wǎng)絡(luò)會搜尋到一個安靜的通道，在那里建立通訊并成功傳輸。如果硬件支持直接序列擴頻(DSSS)傳輸，當檢測到干擾時，協(xié)議將切換至該模式，并開始尋找一個比較安靜的通道。這些協(xié)議不遵循任何IEEE標準，他們代碼小并優(yōu)化，專門致力于功耗和封包開銷要求嚴格的應(yīng)用。

低功率藍牙
藍牙技術(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標準。藍牙無線技術(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)、連接建立和連接機制。低功率藍牙還可以進行特色設(shè)計，可以設(shè)計出比BR藍牙更低功耗、更低復雜性、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。使用這兩個系統(tǒng)的設(shè)備可以互相通訊。

成本
無線HID市場對價格要求是相當嚴格的。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作為他們應(yīng)用的射頻基帶控制器。這個單片機還需要有足夠的閃存來儲存無線協(xié)議棧。因為低功率藍牙是一個標準、堆疊代碼的大小遠比為專有協(xié)議大得多，從而要求更大閃存，致使成本增加。無線HID市場一直被專有協(xié)議占有，因為他們協(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，以便他們可以和網(wǎng)絡(luò)中的其他設(shè)備通話。藍牙技術(shù)在大部分的個人電腦和手機比較常見，這些設(shè)備會有一個完整的雙模式藍牙橋 (BR和LE)，以后將不需要外部的橋。低功率藍牙和我們今天所用的藍牙不同，它是一種“always-off”技術(shù)。這使得使用低功率藍牙的設(shè)計可以用一個小紐扣電池就可以實現(xiàn)多年的電池壽命。藍牙技術(shù)是由藍牙SIG（特殊興趣小組）維護的一種標準，任何藍牙相關(guān)設(shè)備都需要經(jīng)過這個認證委員會認證，這就進一步增加了開發(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。他們會指出功耗取決于占空比。因此開發(fā)人員必須使用實驗板的設(shè)置和他們各自的固件測試環(huán)境來獲得自己想要的功率消耗數(shù)據(jù)。由于功耗是HID市場的主要關(guān)注點，低功耗藍牙標準規(guī)定：在一個最大3 ms的數(shù)據(jù)傳輸應(yīng)用一般不會超過20mA的峰值電流，在紐扣電池應(yīng)用中不會超過15mA。使用低功率藍牙無線技術(shù)的設(shè)備只需要消耗其他藍牙產(chǎn)品能量的一小部分。在許多情況下，低功率藍牙產(chǎn)品將會僅需要一顆紐扣電池就可以工作一年多的時間而不需要充電。例如，用這種方式，就可以用小的傳感器與其他設(shè)備（如手機或PDA）持續(xù)工作和交流?；诘凸β仕{牙實現(xiàn)的小型設(shè)備（例如手表和運動傳感器）將會擁有很多的低功耗的優(yōu)點。支持藍牙和低功率藍牙的雙模實現(xiàn)，將使用部分現(xiàn)有藍牙的硬件，共享物理收發(fā)器件和天線。雙模式的實現(xiàn)方式會和典型的藍牙技術(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，因為這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、藍牙、 WirelessUSB、以及一系列的無繩電話和微波爐共存。只有一個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頻(DSSS)和跳頻擴頻(FHSS)傳輸，低功率藍牙只采用了跳頻技術(shù)，這和所有版本的藍牙技術(shù)相同。DSSS可以確保數(shù)據(jù)的魯棒性，一旦干擾太大了FHSS允許無線電信號馬上跳到一個新頻道。沒有DSSS也是藍牙相對于專有協(xié)議一個缺點，因為專有射頻可以并存的在噪聲環(huán)境中，不必非得跳到一個比較安靜的頻道。低功率藍牙提供完整的AES-128加密技術(shù)，可以對數(shù)據(jù)包進行強大的加密和驗證。與此同時，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)用要求的安全級別來選擇現(xiàn)有的專有協(xié)議還是標準協(xié)議如藍牙。對于某些應(yīng)用場合，如無線鼠標，安全不是必需的。

覆蓋范圍
無線HID應(yīng)用通常在一個比較短的距離通訊，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，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，可以支持更遠的距離，低功率藍牙規(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，實際吞吐量僅僅是256kbps。專用協(xié)議的優(yōu)點在于，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。對于一些應(yīng)用，例如游戲鼠標，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，低功率藍牙的實現(xiàn)方式就不如專有標準了。

拓撲結(jié)構(gòu)
多數(shù)無線HID應(yīng)用要求點對點的網(wǎng)絡(luò) (例如，無線鍵盤或鼠標)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)化為一個特別的拓撲結(jié)構(gòu)?；谒玫膯纹瑱C和系統(tǒng)里從設(shè)備尋址方式，可以連接在一個網(wǎng)絡(luò)的從設(shè)備數(shù)目是有限的。低功率藍牙技術(shù)優(yōu)化為一對一的連接，同時也允許一對多的星型拓樸結(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)狀拓撲結(jié)構(gòu)一樣移動，但在復雜性上，不需要網(wǎng)狀拓撲那樣維持網(wǎng)絡(luò)。例如，一個使用集成藍牙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牙LE。

認證
藍牙專家組(SIG)是監(jiān)控藍牙標準的發(fā)展以及給制造商發(fā)放許可證和商標的團體。為了得到許可，公司就必須成為藍牙SIG的成員。SIG同時也負責管理 SIG認證程序，對于任何使用藍牙的產(chǎn)品來說認證都是必需的，并且要預先得到藍牙技術(shù)知識產(chǎn)權(quán)許可。SIG的主要任務(wù)是發(fā)布藍牙規(guī)格，保護藍牙商標以及推廣藍牙無線技術(shù)。關(guān)于認證過程簡介，包括認證步驟，認證類型和費用，都公布在藍牙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證的規(guī)范，這方面幾乎是免費的，所以產(chǎn)品開發(fā)人員可以在自己的終端評估協(xié)議，開發(fā)費用和時間都可以減到最小。

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，或可以移動到一個比較安靜的環(huán)境來通訊。

在市場遍布窄帶、本地、專有技術(shù)等連接解決方案的情況下，低功率藍牙技術(shù)本身有其不同之處:
*易實現(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

低功率藍牙技術(shù)擴展了個人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)(PAN)，包括小紐扣電池供電的藍牙設(shè)備。使用低功耗技術(shù)，體育衛(wèi)生保健設(shè)備，人機界面(HID)和其它娛樂設(shè)備，都可以增強優(yōu)勢。這項技術(shù)可以集成到很多產(chǎn)品，如手表，無線鍵盤、游戲和運動傳感器，它可以和host設(shè)備（例如移動電話與個人電腦）進行連接與通訊。

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

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

雖然藍牙技術(shù)是一個標準的協(xié)議，但它在綁定方法上的缺點也是不可避免的。例如，假設(shè)一個教室環(huán)境，這里有許多學生都使用藍牙鼠標，并且所有人都試圖讓他們的鼠標同時綁定在各自的pc機上。這時候可能發(fā)生交叉捆綁的情況，一只鼠標跟別的電腦捆綁了而不是在應(yīng)該捆綁的那個。那些專有協(xié)議例如賽普拉斯半導體的方案就會避免這些問題，可以使用KISS (Keep It Simple Solutio)綁定，廠商綁定，和自動綁定技術(shù)。如果開發(fā)人員試圖使用低功率藍牙用到這類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。低功率藍牙具備低成本、低能耗的特點，似乎在無線HID市場是一個好的方案。然而，當?shù)凸β仕{牙吸引許多公司進入無線HID市場的同時，它又不一定能成功，除非它實現(xiàn)了并且超過了專有協(xié)議早在十年前就已經(jīng)成功實現(xiàn)了的特性。