藍牙是一種短距離無線傳輸技術,目標是取代纜線,在各種消費性電子如手機、個人電腦以及個人數位助理(PDA)等裝置之間傳送語音與資料。由於建置在使用電池的小型裝置,因此功耗就成為這項技術的重要考量因素。
藍牙使用免付費、工業/科學/醫療(ISM)專屬的2.4G~2.4835GHz頻段,由於這個頻段毋需執照,因此許多其他無線連結標準也採用這個頻段,例如無線區域網路(WLAN)802.11與DECT無線電話。這類裝置若靠得相當近,彼此就會產生干擾,並影響藍牙連結的傳輸品質。
藍牙連結的傳輸距離取決於無線電的功率,Class 1裝置可達到100公尺,Class 2裝置為10公尺,Class 3則屬於1公尺的短距離裝置。藍牙標準資料的最高傳輸率為每秒1Mbit/s,實際資料流量為每秒723kbits。藍牙堆疊會分割資料,並透過兩個連結中的一個連結進行傳送,使用的是同步連線導向頻道(SCO),這個頻道會使用保存的頻寬來傳送即時性的資料,其中包括語音封包或是透過非同步非連線式 (ACL)頻道,於頻寬足夠時來傳送或重送資料。
藍牙裝置包括硬體、韌體以及軟體等部分,圖1顯示典型的分層式藍牙規格通訊協定堆疊,包括無線電、基頻與鏈結管理通訊協定(LMP)、主控端控制器介面 (HCI)、邏輯鏈路控制與調適通訊協定(L2CAP)、RFCOMM以及服務發現協議(Service Discovery Protocol, SDP)通訊協定。
藍牙與WiFi並存產生干擾
由於藍牙使用的ISM無線電頻率是免執照的頻段,因此有許多其他無線標準也利用這些頻率來傳送資料,包括802.11b/g在內。除與其他無線標準並存運作衍生的挑戰外,藍牙通訊也可能被其他像微波爐等家電設備所干擾,這些裝置在運作時會幅射出射頻訊號,由於成本與設計方面的限制,因此廠商採取的預防干擾措施也相當有限。
儘管有四周環境的射頻訊號干擾,藍牙在頻率方面面臨的主要挑戰,其實是與802.11b/g的頻率衝突。兩種技術都使用ISM頻段,並透過封包來傳送資料。WiFi與藍牙在過去五年獲得愈來愈多的採用,藍牙產品與無線區域網路在家用市場的普及率持續攀高。由於兩種技術產品經常被放在一起,因此並存就成為必須優先克服的問題,業界已發展出許多排除干擾的機制。
為限制任何ISM頻段區域中發送的功率量,藍牙與WiFi必須採用許多展頻技術。藍牙採用的是跳頻式展頻技術(FHSS)機制,在1MHz相對較窄的頻段中傳送資料封包。窄頻段訊號的頻率,每秒會進行1,600次跳頻,在頻段範圍79個頻道中進行跳換。藉由在頻譜中進行跳頻,訊號就能分散到頻段的各個頻率進行傳輸。
當發生干擾時,接收到的部分資料封包可能因為藍牙與802.11b/g訊號重疊而產生干擾,產生錯誤記錄。彼此相近的天線可能造成前端元件對第二個運作的系統產生重疊干擾。但這類干擾必須有強度較高的干擾訊號才會產生,因此發生機會比一般干擾較低。
AFH辨識不良頻道 避免干擾
適應性跳頻(AFH)技術提供一種有效的方式來抵銷一般干擾,AFH會辨識出不良的頻道,這些頻道已被其他無線裝置使用,並對藍牙訊號產生干擾,或是藍牙訊號干擾到其他裝置(圖2)。採用AFH技術的藍牙裝置會在其Piconet網路中,與其他裝置通訊分享所有已辨識到的不良頻道。之後裝置會切換到其他可利用的良好頻道,避開干擾的頻段,因此不會對使用的頻寬產生影響。AFH要能順利運作,必須精準辨識出不良頻道,而且唯一允許發生的干擾形式只有「一般」干擾。
頻道跳頻技術為1.1版裝置提供AFH的各項利益,雖然它會犧牲藍牙的傳輸頻寬,來降低WiFi訊號的干擾。就算802.11b/g從頭到尾都處在閒置狀態,但系統可能會丟棄高達50%的非高優先順序的藍牙封包。但這個比例雖然過高,但除非使用者嘗試建置要求即時性的媒體應用,像是串流傳輸立體聲音樂,否則通常不會注意到頻寬的變化。
TDM抵銷前端裝置重疊干擾
分時多工(TDM)這種工具用來抵銷前端裝置重疊的干擾,這類干擾無法利用AFH來消除。這種技術原本是用來保護802.11b/g傳輸作業避免被藍牙所干擾(圖3),當802.11b/g在使用ISM頻段時,除了高優先順序的封包外,會關閉所有藍牙的傳輸作業。這種方法和跳動頻道一樣,都會犧牲部分的藍牙頻寬,犧牲掉的頻寬數量和802.11b/g的作業週期成正比。因此若802.11b/g處在閒置狀態,連結維護作業所傳送的封包會造成頻寬減損 2~3%,使用者很難察覺到如此細微的變化。
為增進TDM的效率,系統必須獲得802.11b/g無線通訊作業的精準資訊,因此藍牙晶片商定義出一種WLAN_Active硬體訊號來確認在無線電開始運作時,802.11b/g訊號確實受到保護。為了讓藍牙訊號避免被802.11b/g訊號干擾,CSR並發展出BT_Priority,這種選用訊號能用來指明系統在何時傳送或接收到重要的藍牙封包。這個訊號可用來保護使用HV3封包傳送的SCO音效資料,這是系統與單聲道耳機間傳送串流音樂時,最常使用的格式。WiFi干擾可能導致藍牙耳機無法與手機連結,也可能造成音質變差,因為SCO封包的部分資料可能被丟棄或是沒有被傳送
CQDDR解決傳輸距離與干擾問題
頻道品質導向資料率(CQDDR)機制的目標是解決較棘手的傳輸距離與干擾問題,採用跳頻技術為基礎,並利用錯誤檢查碼來分析封包的表頭與承載資料,必要時還會傳送回應訊息或著重新傳送整個封包。這裡有兩種資料封包,即DH與DM,分別使用高等與中等頻寬。DH封包能在封包中傳送更多資料,但若封包有一部分損毀,就必須重新傳送整個封包才能回復資料內容。DM封包內含前向錯誤校正(FER)碼,約占去整個承載資料的三分之一比重,每10位元的資料中,就加入5位元的FER碼,讓系統能對每15個位元資料/FEC模塊,校正兩個位元的錯誤。這種資料封包格式雖然可能降低資料傳輸率,但穩定度勝過DH封包,因為DH封包沒有任何錯誤校正機制。它讓接收裝置能與傳送端進行協商,根據周圍環境的干擾狀況,選擇要使用何種封包格式。例如,若某個裝置認為接收封包可能有錯誤,它會告知傳送端以DM封包的格式來傳送資料(圖4),若鏈路沒有任何干擾,系統就會告知另一端切換回DH封包。
eSCO重新傳輸損毀封包
延伸同步連結導向頻道(eSCO)是具備錯誤檢查功能的語音頻道,能重新傳輸損毀的語音資料封包(圖5),每個封包都有循環冗餘檢查(CRC),接收端可檢查封包是否接收正確。在接收時發現錯誤或流失的封包,系統會為它們發出無回應封包。重新傳輸的時間窗口,讓系統能重新傳輸無回應封包。
1.1版的SCO僅使用單一時槽封包,eSCO則允許使用三時槽封包,同步傳送語音或資料。這意謂它能達到100kbit/s以上的連線速度,勝過1.1版的64kbit/s。1.1版的SCO在無線電變更頻率時,因有空閒時間而導致浪費傳輸容量。
當每個eSCO驅動主控端傳送一個eSCO封包時,從屬端會使用正常SCO規則來進行回應,就算沒有收到主控端的封包,從屬端也能進行回應。此時就出現與 SCO的差別:此時有一個重新傳輸的時間窗口,在這段期間無回應的封包可趁機重新傳輸,直到收到回應封包為止。eSCO的間隔可以調整,1.1版SCO有 3種不同的封包間隔,速率都是相同的64kbit/s。在延伸版的SCO中,在連結傳送及接收的兩個方向,封包長度與傳輸間隔都可以進行協商調整,以利進行非同步模式的傳輸。
雖然eSCO頻道不會主動管理或防範干擾,但重新傳輸損毀的資料封包,能確保音質較不會像以往因受到其他無線電裝置干擾而受損。
配置各種低功耗模式
在建置無線環境的競賽中,功耗被證明是一項重要的因素。作為一種短距離無線電傳輸技術,藍牙的功耗壓得相當低,尤其是像電腦周邊這類的應用,藍牙裝置的傳輸距離往往不到50公分。
藍牙的低功耗讓它適合作為小巧掌上型裝置的無線連結技術如手機與PDA這類使用電池的裝置,消費者非常看重這類產品的電池續航力。
在藍牙堆疊中,當無線電開始傳送訊號時,會達到最高的功耗水準,傳送或接收的作業功耗為50毫安培,而堆疊中數位部分的功耗僅有10毫安培。因此,減少藍牙無線電的運作時間比率,對於降低整體功耗而言有最大的效益。透過明智地配置各種低功耗模式來降低耗電量,可以讓系統不必犧牲效能。
功率控制方法對於降低干擾風險與耗電量而言也是相當重要,若藍牙裝置須與另一個相隔僅數公分的裝置進行通訊,裝置就毋須耗費像與100公尺外裝置進行通訊那樣多的電力。
通訊協定堆疊減少元件數
藍牙的短距離連結以及通訊協定堆疊,意謂毋需複雜且高耗電的處理器來執行日常的藍牙處理作業。此外,通訊協定堆疊的結構讓所有資料不必經過微處理器。晶片記憶體Hub能儲存訊息封包中的資料,而微處理器則管理封包的種類與結構。封包之後再由數位訊號處理器(DSP)負責傳送,這種方法能減少作業中牽涉到的元件數量,並降低資料傳輸與處理所消耗的電力。
EDR提高傳輸效能
增強型資料傳輸速率(EDR)版本亦有助於降低藍牙的功耗,EDR被建置在愈來愈多消費性產品中。提高3倍的資料傳輸率,意謂資料封包以3倍的速度進行傳輸,無線電僅須運作三分之一的時間,並增加資料封包可供裝置運用的空間,讓裝置能切換至淺層或深層睡眠模式。EDR版本的影響目前僅限於支援EDR的產品,當與1.1或1.2版本、不支援EDR的裝置進行通訊時,就必須使用標準的資料傳輸速率。
自從首次揭露干擾與功耗方面的問題以來,這幾年藍牙技術有可觀的進展。透過像適應性跳頻技術、分時多工、功耗控制以及CQDDR等技術,可讓藍牙連結更加穩定可靠,提升藍牙的使用經驗,成為與如802.11b/g等技術功能互補的應用科技。