面向HID应用的蓝牙低功耗和专有射频技术比较

作者：Anitha TG，赛普拉斯半导体

随着市场上可用的无线技术越来越多，有许多更加复杂、集成了无线技术的人机接口设备(HID)(例如无线键盘、无线鼠标等)推向市场。虽然无线标准具有互操作性的优势，但它们也可能给应用带来不必要的复杂性和开销，并导致更高的系统成本。另一方面，专有协议能使开发人员灵活地定制应用，代价是要求研发人员进行开发。本文将对HID市场中的蓝牙低功耗技术与专有协议进行比较。

选择PC HID时所考虑的关键射频要求是成本、功耗、可靠性/安全性、速度/吞吐量和设计方便性。一般来说，考虑到设备间的互操作性，市场上的标准实现方案要比专有实现方案略胜一筹。不过，在2009年之前的PC HID中，只有专有协议主导市场，这主要是因为于缺少在成本、功耗和效率方面针对PC HID市场优化的无线标准。

蓝牙低功耗协议主要用于低功耗应用和PC HID市场。基本速率(BR)和低功耗(LE)蓝牙都支持设备发现、连接建立和连接机制。与BR相比，LE更适合用于设计更低电流消耗、更低复杂性和更低成本的产品。

成本

无线HID市场对成本特别敏感，用作射频基带控制器的MCU需要足够的闪存来保存无线协议堆栈。由于蓝牙低功耗是一种标准，因此堆栈代码规模远大于专有协议，需要更多的闪存，因此增加了成本。无线HID市场一直被专有协议所主导，因为它们具有轻量级的协议栈。

然而，专有网络要求通过一个外部桥连接到PC/主机，才能与网络中的其它设备进行通信。由于大多数PC和移动电话都具备蓝牙功能，因此未来这些设备都将集成支持双模(BR和LE)的蓝牙桥，因而不再需要外部桥。

功耗

与基本速率蓝牙不同，蓝牙低功耗是一种“常关断”技术，规定一个应用不应消耗超过20mA的峰值电流，在钮扣电池应用中不应消耗超过15mA的电流，并且数据连续传输时间最大为3ms。这样就使手表和运动传感器等小型设备，在使用钮扣电池的条件下能够连续工作数年时间。不过，支持蓝牙和蓝牙低功耗的双模实现方案将共享现有的蓝牙物理无线频率和天线，因此能保持与经典蓝牙技术相同的功耗。

进行功耗比较是极具挑战性的，因为专有射频芯片制造商一般不在数据手册上披露功耗指标。开发人员必须使用实验板装置和他们各自的固件测试环境获得自己的功耗数据。

可靠性和安全性

抗2.4GHz干扰意味着能够与802.11b/g、蓝牙、无线USB和大量无绳电话及微波炉和平共存。尽管像CYRF6936等一些专有无线器件采用DSSS(直接序列扩频)和FHSS(跳频扩频)传输机制，但蓝牙低功耗仅使用对所有版本蓝牙技术通用的自适应跳频技术。DSSS可以确保数据鲁棒性，而FHSS允许在干扰变得太大时，将无线信号跳频到新信道。

与专有协议相比，蓝牙中缺少DSSS也是一个缺点，因为专有射频技术可以在有噪声的环境中共存，而无需跳频到更安静的信道。蓝牙低功耗提供了完美的AES-128加密技术，可对数据包进行强大的加密和认证，但同时也会消耗相当数量的包开销。

为了确保可靠和安全的系统，开发人员需要根据设备的硬件功能，以及应用的安全级别要求，来判断是采用现有的专有射频技术，还是采用蓝牙技术这样的标准协议。例如，对于无线鼠标这样的应用，安全性要求就很低。

速度/吞吐量

蓝牙低功耗支持1Mbps的空中数据速率，这对无线HID应用来说已经足够。然而，由于开销原因，应用的吞吐量只有256kbps。专有协议具有更小的数据包开销，也许能够支持更高的吞吐量。对于要求更高有效吞吐量的应用来说，蓝牙低功耗就不如专有标准好了。

认证

任何蓝牙兼容设备都要求认证，对蓝牙技术而言，这是知识产权许可的一个前提条件。认证过程增加了产品设计周期，并引入了额外成本和潜在延时。在使用专有射频协议的情况下，许多制造商几乎是免费提供他们的认证规范，以便产品开发人员能够在他们那边认证协议，从而最大限度地减少开发费用和时间。

应用

由于修改协议非常方便，因此任何应用都能非常方便地使用专有射频协议。这样，通过改变输出功率电平、激活更具鲁棒性的通信方式，或转移到更安静的环境中进行通信，就可以让应用更加适合环境。

在充满窄带、本地、专有连接解决方案的市场中，蓝牙低功耗技术可以通过以下特色实现自身的差异化：易于实现和多供应商互操作性；超低的峰值、平均值和空闲模式功耗；低成本集成；功耗处理；抗干扰性。

虽然蓝牙低功耗对许多应用来说似乎是很有前途的一种技术，但在HID应用采用这种技术之前，业界首先需要解决一些特定的问题。当然，不需要外部桥肯定是一个优势。不过，电子行业何时能够接受集成的双模蓝牙无线则是一个相当中肯的问题。在主机中集成双模/单模蓝牙无线也会产生与Wi-Fi、WiMax经典蓝牙和其它2.4GHz技术共存的问题。这对开发人员来说是一个重大挑战，在芯片实现之前，短期的解决方案是与PC一起交付外部桥。由于蓝牙低功耗仍处于不断优化的阶段，所以针对所有应用的规格要求还没有最终定稿。这将在很长一段时间内影响蓝牙低功耗向无线HID领域的渗透。

虽然蓝牙是一种标准协议，但其绑定技术并不完美。例如，在一间教室中，有许多学生在使用蓝牙鼠标，所有人都试图同时将他们的鼠标绑定到各自的PC机上。这时候很可能发生交叉绑定，即某个鼠标与另一台PC对话，而不是与想要绑定的PC对话。赛普拉斯半导体提供的专有协议就能避免这类问题，这些协议使用KISS(保持简单解决方案)绑定、制造绑定和自动绑定技术。如果开发人员想将蓝牙低功耗用于这类HID应用，就需要实现类似的绑定技术。

本文小结

与任何产品一样，适应性是成功的关键。由于具有低成本和低能耗，蓝牙低功耗技术似乎是无线HID市场中的一个有力竞争者。但是，尽管蓝牙低功耗吸引了许多公司进入无线HID市场，但它必须比专有协议已经成功实现的功能更具竞争力，才可能最终取得成功。