影响蓝牙低功耗采购决策的关键拐点

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影响蓝牙低功耗采购决策的关键拐点
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蓝牙 5.4 是蓝牙特别兴趣小组 (SIG) 的最新规范，包含许多增强功能，将打开更多市场和用例。这是我们将在本博客中讨论的低功耗蓝牙 (BLE) 市场的几个拐点之一。
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在提供多种无线产品的职业生涯中，我学到的一件事是世界永远不会停滞不前。硅技术的持续进步、各种无线标准的增强以及技术提供商的不断跨越，促使我们所有人不断重新评估我们选择技术采购的方式和人员。
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这些技术采购决策可以追溯到市场中发生的拐点或技术的进步和增强。本文将通过研究 BLE 市场中的以下三类拐点来专门关注 BLE：
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通过发布新的蓝牙规范，不断增加 BLE 增强功能。
1 a, q& q# t% i  U: t4 ?+ ~各个芯片供应商在自制与外购决策方面的转变。
7 w" Z7 c3 I8 u8 `( j# X即将推出的 BLE 增强功能的出现推动了供应商采购决策的变化。
1 f/ ~5 \; V% N1 y8 w' O持续增加 BLE 增强功能
8 I8 _. X. h# R& J1 a& i0 E& h蓝牙 SIG 今年将庆祝其成立 25 周年，蓝牙（特别是 BLE）仍然充满生机，并且在不断发展。图 1 显示年度出货量继续以 9% 的复合年增长率增长，预计 2023 年出货量将超过 50 亿台，预计到 2027 年年出货量将远超 70 亿台。值得注意的是，2023 年平台出货量基本持平。这个10年的时间表。平台设备就是我们通常所说的“主机”设备，例如PC、平板电脑和手机。为了与现场的传统蓝牙外围设备保持兼容，这些平台几乎总是支持较旧的蓝牙 BR/EDR 或“经典蓝牙”以及较新的蓝牙低功耗协议。
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最显着的趋势是所有增长都集中在外围设备上。这些设备主要是“仅限 BLE”，主要由电池供电设备的 BLE 低功耗特性以及 BLE 功能集中添加的新增强功能驱动。
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图1：蓝牙平台及周边设备出货量。
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: K  g# {( h/ Y从历史上看，新的蓝牙规范大约每 1.5 到 2 年发布一次，每个规范版本通常包含三到四个新的增强功能。这些功能的范围可能从微小的改进到推动重大增长机会或“拐点”的重大步骤功能。我们来看看蓝牙规范上比较显着的变化：

2010 年 – 蓝牙 4.0：这是自 1998 年蓝牙诞生以来最重大的变化。它添加了低功耗蓝牙，这是一种与原始经典蓝牙完全不同的协议。BLE 基本上是围绕使用 3 伏纽扣电池为物联网设备和传感器供电而设计的。BLE 已得到广泛采用，旧版蓝牙经典的最后一次规范更新是在 2014 年发布的 BT4.2 版本中。此后添加的所有蓝牙规范增强功能都是专门针对低功耗蓝牙而进行的。
2016 年 – 蓝牙 5.0：包括三项增强功能，最重要的是添加了 2Mbps 模式（正式限制为 1Mbps）和长距离模式（高达 4 倍的范围），由“编码 PHY”通过使用前向实现纠错。
, N0 k5 [' j2 {. W6 [7 _" P# j2020 年 – 蓝牙 5.2：它被称为“游戏规则改变者”，因为它添加了 LE 音频（通过 BLE 的音频），而此前只有较旧的点对点蓝牙经典协议才支持该功能。这为耳机和耳塞等 BLE 音频设备提供了显着的节能效果，提高了音频质量，并启用了“广播”音频（一对多），BT SIG 最近将其命名为 Auracast。
, D4 J+ K1 S$ e! E- M2 r2 m2023 年 – 蓝牙 5.4：包括四项增强功能，最引人注目的是带响应的定期广告 (PAwR) 和较小程度的加密广告数据 (EAD)。这些功能主要是由电子货架标签（ESL）驱动的。与其他规范相比，我认为这是一个拐点，因为随着 ESL 供应商从专有无线协议转向 BLE 标准化，这正在为 BLE 创建一个全新的市场。PAwR 还有其他几种应用程序，其中一些应用程序将其称为新的 BLE Mesh，因为 2017 年的原始 BT5.1 Mesh 规范尚未获得显着的采用率。PAwR 在汽车应用中也有用途，例如内置于实际轮胎本身的电动汽车电池管理系统 (BMS) 和轮胎压力监测系统 (TPMS)。
2 F2 A# P& ]' ?, q2 p5 Q那么低功耗蓝牙的下一个拐点是什么？我们期待工作组目前正在定义的三项重大增强功能。
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( v! ]0 `* J( I* r' ^( S通道探测或高精度距离测量 (HADM)。该功能预计将于 2024 年发布，并支持创建可提供更高水平的精度/定位的定位系统。数字钥匙等汽车应用也有强大的吸引力。
% i2 M6 O! c6 ^5 {/ w* T6 o更高的数据吞吐量是另一个有吸引力的增强功能，但时间上有点遥远。目的是将当前 2Mbps 的吞吐量提高到 6-8 Mbps。这将满足需要更高性能/流式传输更大媒体、游戏甚至更高质量音频的应用程序。
更高频段（时间上更远）定义了 BLE 在其他免许可中频段频谱（例如 5-6 GHz 频段）中的操作。这将缓解目前 2.4GHz 频段的无线拥塞情况并改善延迟。
让我们看看这些即将推出的增强功能将如何改变蓝牙采购决策的复杂性。
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: ~* o5 m  C% Y5 N7 D自制与购买
每个芯片供应商都面临着决定是内部设计 SoC 的各种功能块还是从第三方供应商获得现有 IP 设计块许可的挑战。大多数芯片供应商都许可多个 IP 模块来构建其 SoC。这包括 CPU 内核、互连系统、内存控制器、安全元件和各种有线接口。为什么 BLE 应该有所不同？
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6 _7 k1 K$ W5 ?2 s5 f就蓝牙 IP 而言，我们看到过去几年芯片供应商的显着采用，他们决定许可已经经过验证的 BLE 解决方案，而不是花费昂贵的内部工程资源进行内部设计。这是 BLE 设备推向市场的又一个转折点。

5 ~" L/ Q0 r. R' `) @' _Synopsys 的 RFPHY（无线电）和链路层控制器的 BLE 设计赢得了多家已从事 BLE 业务多年的一级芯片供应商的支持。这是为什么？
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有几个因素推动了“购买”或许可 BLE IP 的趋势。
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BLE 正在变得无处不在。无论是用作主要无线接口还是提供对设备的无线访问以进行设置、配置和维护，BLE 都已迅速成为 SoC 上的另一个标准接口。
$ }9 H0 ^# {4 O" L/ U7 U0 w正如上一节所讨论的，新的 BLE 标准将继续发布，维持内部设计团队以跟上所有新增强功能的成本变得越来越高。
摩尔定律肯定在发挥作用。将射频/模拟设计移植到更小的几何形状以保持芯片面积（成本）和功耗方面的竞争优势是非常昂贵的。成熟 BLE 供应商的许多内部解决方案尚未跟上这些拓扑变化，并且仍然体积庞大且耗电。
与 Synopsys 解决方案一样，可用的 BLE 无线电 IP 正在接近尺寸、功耗和接收灵敏度（即 -100dBm @1Mbps）等性能指标的理论极限。这使得很难证明花费内部资源只是为了满足已经以较低成本提供的规范。
另一方面是资金有限的初创公司。为模拟无线电、数字调制解调器和控制器以及主机软件堆栈建立一支有能力的 BLE 设计团队，以符合 BLE 协议规范，需要三年或更长的时间和数千人月的时间。
还有另一组芯片供应商可能已经在非无线解决方案领域涉足多年，但由于 BLE 的普遍存在，他们首次将其添加到他们的 SoC 中，并且缺乏这样做所需的 RF 知识内部。
无论您进行“自制与购买”分析的原因或标准是什么，可以肯定的是，通过转向第三方 IP 解决方案的许可，采购 BLE 解决方案最近出现了拐点。

" b4 h0 {; }$ M+ K  M# ^, ~即将推出的 BLE 增强功能将推动供应商采购决策的变化
我已经谈到了近期的新 BLE 增强功能，首先是计划于 2024 年中期支持信道探测的新规范。为了理解这一讨论，我们必须首先了解创建完整 BLE 解决方案的“BLE 堆栈”中的各个层。

* S0 O' Q, _0 ~! j8 W( x完整的 BLE 堆栈可以分解为几乎十几个独立的级别或功能，但最简单的形式是三个基本元素，如图 2 所示。这些是通常由第 3 方 BLE IP 供应商许可的三个 IP 块。


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. c! u5 n6 P* a- q* y. |: A9 R$ @' \+ s图 2：低功耗蓝牙堆栈。

. a1 I; F: J8 \1 k( v连接到外部天线的是堆栈的最低部分，即称为“PHY”的物理层（以橙色显示）。在蓝牙 SIG 定义的 BLE 语言中，这称为 RFPHY。它由 PHY 中的模拟无线电（或收发器）和数字逻辑组成，支持调制、解调、频率控制、校准和其他功能。
下一层称为链路层控制器。这类似于基于 OSI 的无线标准（如 Wi-Fi、Thread、Zigbee 等）中使用的“MAC”。链路层充当来自或进入 RFPHY 的数字数据传输的路径。链路层控制器管理无线电的链路状态、调度数据包接收和传输、保证数据的传送并在管理链路时执行其他无线电控制过程。
" o% d- l4 h& b2 ]主机软件堆栈和配置文件与应用程序代码一起在 SoC 内的主机 CPU 上运行。它由多种传输和网络协议组成，允许应用程序与其他设备进行通信。您可能还注意到，主机软件堆栈和链路层控制器之间有一个接口，方便地称为主机/控制器接口或简称为“HCI”。这是一个不依赖于时序的物理和逻辑接口。跨 HCI 的通信协议在蓝牙规范中定义，它允许不同供应商的主机软件堆栈和链路层控制器之间相当轻松的集成和兼容性。
改变供应商采购决策的拐点可以在即将推出的蓝牙规范的详细信息中找到。图 3 显示了从 2016 年的 BT5.0 到未来 3-4 年计划增强的各种蓝牙标准。

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图 3：蓝牙规范时间表。
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BT5.0 至 BT5.4 规范中添加的增强功能影响数字链路层和/或主机软件堆栈。这需要更改数字逻辑或软件，但不会影响 RFPHY 设计。最终结果是用于支持 BT5.0 的 RFPHY 在 BT5.4 期间保持不变。
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未来的游戏规则改变者是，即将推出的每项主要增强功能都需要对 RFPHY 和控制它的链路层进行设计修改。
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8 a2 g* l' V+ A3 X* S如图 2 所示，链路层控制器和 RFHY 共同创建了蓝牙 SIG 定义的“控制器子系统”。这是因为 RFPHY 和控制器紧密耦合以形成该子系统。控制器和 RFPHY 如何协同工作以支持这些新功能非常关键，并且可能取决于时间。与 HCI 接口不同，对于 RFPHY 和链路层控制器如何相互交互没有定义的标准。如果您从两个不同的第 3 方 IP 供应商采购 RFPHY 和链路层控制器，这将创建一个相当耗时且迭代的集成过程，从而增加支持这些新标准的重大风险。供应商之间肯定会存在一些不兼容性，如果这对已婚夫妇不是来自单一供应商，那么就会引起人们的担忧。Synopsys RFPHY 和链路层控制器具有出色的功耗、性能和面积 (PPA) 规格。从 Synopsys 采购 RFPHY 和链路层控制器将大大降低支持这些新蓝牙增强功能的风险。如需了解更多信息，请访问synopsys.com/wireless。