Lec 5 — 网络连接（Network Connectivity）：BLE 与低功耗广域网

MIT 6.1820/MAS.453 · Mobile and Sensor Computing 阅读材料：AirTags 与 BLE 安全性分析

1. 连接设计空间概览

IoT 设备的连接选择受制于三个关键约束：

约束	说明
带宽（Bandwidth）	每秒可传多少数据
覆盖范围（Range）	有效通信距离
功耗（Power）	电池寿命

定义 — 三角困境
带宽、覆盖范围、功耗三者相互制约，无法同时最优。Wi-Fi 带宽大但耗电；LoRaWAN 覆盖远且省电但带宽极小；BLE 介于中间。

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2. 蓝牙低功耗（BLE, Bluetooth Low Energy）

2.1 两种操作模式

模式	用途	连接
广播模式（Advertising Mode）	广播自身存在（AirTags、信标）	单向
连接模式（Connected Mode）	双向数据传输（耳机、手环）	双向

2.2 广播机制

BLE 在 3 个广播信道（37、38、39 频道，避开 Wi-Fi 中心频段）上循环广播：

$$T_{\text{adv interval}}\in [20\text{ ms},10.24\text{ s}]$$

较长的广播间隔 → 更省电，但设备被发现的延迟更大。

2.3 连接模式参数

建立连接后，双方以连接间隔（Connection Interval）$T_{CI}$ 交替通信：

$$T_{CI}\in [7.5\text{ ms},4\text{ s}]$$

占空比（Duty Cycle）：

$$\text{Duty Cycle}=\frac{T_{\text{active}}}{T_{CI}}$$

当 $T_{CI}=1\text{ s}$，活动时间约 1 ms 时，占空比 = 0.1%，极度省电。

2.4 电池寿命计算

例题 — AirTag 电池寿命估算

已知：

• 电池容量：$Q=1000\text{ mAh}$
• 发射时电流：$I_{tx}=15\text{ mA}$
• 睡眠时电流：$I_{sleep}=1\mu \text{A}=0.001\text{ mA}$
• 连接间隔：$T_{CI}=1\text{ s}$，活动时间：$T_{active}=1\text{ ms}$

平均电流：

$$I_{avg}=I_{tx}\cdot \frac{T_{active}}{T_{CI}}+I_{sleep}\cdot (1-\frac{T_{active}}{T_{CI}})$$$$=15\times 0.001+0.001\times 0.999\approx 0.015+0.001=0.016\text{ mA}$$

电池寿命：

$$t=\frac{Q}{I_{avg}}=\frac{1000\text{ mAh}}{0.016\text{ mA}}\approx 62500\text{ h}\approx 7.1\text{ 年}$$

Sol：约 7 年，实际 AirTag 官方标称约 1 年（因为还有 UWB 定位、通知响应等额外功耗）。

推论 — 占空比是低功耗的核心武器　将占空比从 100% 降至 0.1% 可使平均功耗降低约 1000 倍，这是 BLE 能以纽扣电池运行数年的根本原因。

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3. LoRaWAN — 长距离低功耗广域网

定义 — LoRa（Long Range）
使用扩频调制（Chirp Spread Spectrum, CSS），以极低功耗实现 2–15 km 传输距离，代价是极低的数据速率（数百 bps）和有限的每日数据量。

3.1 核心参数

参数	数值
覆盖范围	2–15 km（城市/农村）
数据速率	0.3–50 kbps
每日传输限制	约 30–100 字节/天（受监管）
典型应用	农业传感器、智慧城市抄表

3.2 扩频增益

扩频因子（Spreading Factor, SF）控制信噪比与速率的权衡：

$$\text{数据速率}\propto \frac{1}{2^{SF}}$$

SF = 7 → 高速率，覆盖近；SF = 12 → 低速率，覆盖极远（处理增益 $\approx 30\text{ dB}$）。

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4. 设计空间对比

技术	范围	数据率	功耗	典型应用
Wi-Fi	~100 m	~100 Mbps	高	流媒体、云同步
BLE	~10 m	~1 Mbps	低	可穿戴、AirTag
Zigbee	~100 m	~250 kbps	极低	智能家居
LoRaWAN	~15 km	~50 kbps	极低	农业、资产追踪
NB-IoT	~10 km	~200 kbps	低	智能城市
5G	~1 km	~1 Gbps	高	自动驾驶、AR

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5. AirTags 阅读材料：BLE 隐私分析

AirTag 使用 BLE 广播（Broadcasting）+ UWB（Ultra-Wideband）精确测距。

隐私机制：AirTag 每隔约 10 分钟轮换 MAC 地址和加密密钥（Rotating Key），防止被第三方长期追踪。

Find My 网络：任何 iPhone 看到 AirTag 广播，可将其位置加密上传至苹果服务器，AirTag 主人可解密，但苹果服务器无法得知位置（端到端加密）。

反跟踪机制：若非主人的 AirTag 长时间跟随某 iPhone，该 iPhone 会收到警告通知。

推论 — 安全与隐私的双面性　AirTag 的设计在方便用户追踪自己物品的同时，也引发了被恶意用于跟踪他人的安全顾虑，是 IoT 设计中隐私与功能权衡的典型案例。

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本讲总结

BLE 通过广播/连接双模式和极低占空比实现数年级别的电池寿命；LoRaWAN 以扩频技术换取超长距离低功耗覆盖，适合每日只传少量数据的场景。不同无线技术在带宽、覆盖、功耗三维空间中各占不同位置，IoT 系统设计者需根据应用需求做出权衡。

Lec 5 物联网连接技术

阅读资料： I Used Apple AirTags, Tiles and a GPS Tracker to Watch My Husband’s Every Move

物联网连接技术包括蓝牙低功耗、低功耗广域网、WiFi、蜂窝网络、5G等。

学习物联网（IoT）连接技术的基础、应用以及其影响

1. 什么是整体的物联网系统架构？
2. 物联网中有哪些不同类型的连接技术？在具体应用中，应该如何选择“合适”的通信技术？
3. 无线网络与物联网系统中有哪些不同的路由架构？
4. 能源如何影响物联网设备的设计？无电池（batteryless）物联网系统是如何工作的？

网络是物联网的粘合剂

物联网的发展源于多种技术的融合（技术推动）：

• 嵌入式计算（Embedded Computing）
• 微型化传感技术（MEMS）
• 无线网络连接能力（Wireless Network Connectivity）

阅读资料 IoT Connectivity pdf

存在许多不同的方法，也提出了大量不同的标准，因此带来了相当程度的混乱。不存在“一刀切”的方案， 最合适的网络取决于具体应用场景。

那么，关键的组织原则和核心思想是什么？

架构： 直连、网关和边缘计算

实际上，我们有丰富的设计空间。比如，网关和设备之间如何通信？ 答案非常多，很多种方法。

我们不能直接用无线互联网吗？蜂窝网络（Cellular）和 Wi-Fi

Sol： 当然可以，但有时候也不行。 蜂窝和Wi-fi的优点是覆盖范围广，带宽高。但是也有两个主要缺点， 功耗高，成本问题（尤其蜂窝网络） 。

不同技术的典型应用场景

Wifi / Blutooth： 适用于室内、固定设备。例如音响、洗衣机、冰箱以及家庭IoT设备

蜂窝网络： 适用于高价值或移动设备，比如，车联网，通过手机作为网关的设备

为什么 IoT 需要“专门网络”？

Sol： 所以IoT才会出现 BLE（低功耗蓝牙）、LoRa / LPWAN、 Zigbee、RFID / backscatter，这些都是为了绕开Wifi / 蜂窝网络的缺点。

IoT 网络的设计空间

三个维度： 带宽、设备到网关覆盖范围以及功耗。注意：这些维度并不是彼此独立的，技术发展速度很快，并且当技术被集成进流行设备后，会加速普及，同时改变经济结构。例如，以前 Wi-Fi 需要外接网卡 → 后来直接内置在笔记本里；低功耗蓝牙（BLE） → iPhone，然后 Android 智能手机 → “人体/房间级”网络

为什么会有这么多IoT网络？

Sol： 因为工程师喜欢发明新技术。因为我们可以从这个“设计空间”中进行选择。

BLE 最初由诺基亚在 2006 年以 “Wibree” 的形式提出。如今 BLE 是主导性技术之一，原因是：👉 智能手机的普及。 智能手机的作用——网关，成为 IoT 的“中心节点”，连接可穿戴设备、车辆、可穿戴设备。 这个故事告诉我们 IoT网络不是技术列表，而是演化生态。不是我们设计了很多协议，然后从中选择，而是技术 + 设备 + 市场的一起演化的结果。 例如，BLE的成功，不是因为它最强，而是因为被智能手机”带飞“了，手机自带 BLE，无需额外基础设施，直接连接生态系统。

技术不是独立选择的，而是绑定在平台上的。比如，Wi-Fi → laptop 生态； Bluetooth → phone 生态； BLE → smartphone + 可穿戴生态

BLE如何工作的？

Sol：