藍(lán)牙5.0/網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)新標(biāo)準(zhǔn)全面滿足IoT應(yīng)用

快速發(fā)展和擴(kuò)大的物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)為裝置制造商帶來一些巨大的商機(jī)。由于各種新應(yīng)用的出現(xiàn)以及須使用無線連接的裝置數(shù)量迅速增加，亦使各種無線標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)聯(lián)盟忙于開發(fā)全新的標(biāo)準(zhǔn)或更新現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)，以滿足物聯(lián)網(wǎng)的特定需求。

對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)應(yīng)用和裝置市場(chǎng)成長(zhǎng)的預(yù)估眾說紛紜，但研究估計(jì)，到2025年前，其年復(fù)合成長(zhǎng)率(CAGR)將可達(dá)到約16%。若要實(shí)現(xiàn)所有的使用場(chǎng)景，如此廣泛的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用將須使用數(shù)種無線標(biāo)準(zhǔn)。這反過來也意味著必須充分解決共存問題。而且，對(duì)合適網(wǎng)關(guān)裝置的需求也會(huì)明顯增加。

根據(jù)市占率估計(jì)，在2021年前，將有60%的無線裝置使用藍(lán)牙，同時(shí)，在16%的裝置中會(huì)采用低功耗藍(lán)牙(BLE)。大部分的成長(zhǎng)將出現(xiàn)于智慧家庭、信標(biāo)、聯(lián)網(wǎng)家庭和穿戴式裝置等應(yīng)用。據(jù)計(jì)算機(jī)雜志《Datamation》報(bào)導(dǎo)，ABI Research預(yù)計(jì)，2016年至2021年之間，低功耗藍(lán)牙的出貨量將達(dá)到34%的年復(fù)合成長(zhǎng)率。如此的成長(zhǎng)速度不僅需要極為穩(wěn)定和可靠的無線標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)還需要制造商在其硬件產(chǎn)品中充分地發(fā)揮無線標(biāo)準(zhǔn)所允許的可能性，并可提供易于使用且功能強(qiáng)大的軟件堆棧。

藍(lán)牙存在將近20年，目前已用于大約82億部的裝置，已充分證明其穩(wěn)定性和可靠性。為了滿足全新物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境的要求，藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟(Bluetooth SIG)于2016年12月宣布推出Bluetooth 5規(guī)格。最新的藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)已對(duì)帶寬、傳輸范圍、廣播和共存等功能達(dá)到提升。

2Mbps PHY傳輸速度翻倍

Bluetooth 5的主要功能之一是全新的2Mbps實(shí)體(PHY)。Bluetooth 4.x裝置僅支持單一1Mbps PHY速率，但Bluetooth 5裝置則能支持1Mbps或2Mbps PHY速率。若將PHY速率加倍，裝置可傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量幾乎增加一倍(表1)。更快速的PHY的另一個(gè)好處，就是傳輸和接收數(shù)據(jù)所需的時(shí)間縮短，因此平均電流消耗也較低，這是因?yàn)檠b置在低功率睡眠模式中的時(shí)間更長(zhǎng)。

在提供低功耗的情況下，若吞吐量加倍將可讓應(yīng)用為使用案例提供更快的數(shù)據(jù)傳輸，例如空中傳輸(OTA)韌體升級(jí)或傳輸從傳感器收集的數(shù)天數(shù)據(jù)，并可改善醫(yī)療裝置和安全系統(tǒng)等時(shí)間關(guān)鍵應(yīng)用的延遲和響應(yīng)能力。

支持2Mbps PHY的Bluetooth 5裝置仍可與Bluetooth 4裝置完全向后兼容，并將使用1Mbps PHY與不支持新2Mbps PHY的裝置進(jìn)行通訊。第一款支持Bluetooth 5和2Mbps PHY的智能型手機(jī)和平板計(jì)算機(jī)已于2017年上市，且市場(chǎng)上大多數(shù)的智能型手機(jī)將會(huì)在未來兩到四年內(nèi)符合Bluetooth 5規(guī)格。

圖1所示為在兩個(gè)EFR32 Blue GeckoSoC之間測(cè)量的1Mbps PHY和2Mbps PHY連接之間的平均電流消耗差異。裝置使用+8dBm TX功率，25毫秒(ms)連接間隔，且僅傳送最短的80微秒(μs)和44微秒封包，節(jié)能效果最低。即使如此，2Mbps PHY仍可降低約15%的平均功耗。使用標(biāo)準(zhǔn)長(zhǎng)度的藍(lán)牙封包和2M PHY時(shí)，應(yīng)可達(dá)到高達(dá)40~50%的節(jié)能效果。

圖1 1Mbps PHY(左)和2Mbps PHY(右)與EFR32BG12 SoC的平均功耗比較

傳輸范圍擴(kuò)大四倍

Bluetooth 5的低功耗(Low Energy, LE)長(zhǎng)距離功能可將傳輸范圍擴(kuò)大四倍，并提供穩(wěn)定和可靠的連接。這意味著將可實(shí)現(xiàn)整個(gè)房屋和建筑物的涵蓋范圍，以及針對(duì)戶外、工業(yè)和商業(yè)應(yīng)用的全新使用案例。這些都是藍(lán)牙在之前無法處理的問題，或是可處理但仍僅限于有限的傳輸范圍。

Bluetooth 5如何提供四倍的傳輸范圍？接著做說明：

LE編碼PHY

除了2M PHY之外，Bluetooth 5還包含兩個(gè)額外的可選PHY，稱為LE編碼PHY。LE編碼PHY實(shí)際上會(huì)使用1M PHY速率，但是實(shí)際的有效負(fù)載是以500kbps(S=2)或125kbps(S=8)速率進(jìn)行編碼，而前序編碼和存取地址則使用1M編碼。

與1M和2M PHY相較，LE編碼PHY所采用的封包格式也略有不同。LE封包中會(huì)加入編碼指針(CI)和TERM1與TERM2標(biāo)頭(圖2)。

使用編碼的PHY可改善RX靈敏度，這也意味著傳輸范圍的提升。通常，使用500kbps或125kbps PHY可達(dá)到4~6dB的RX靈敏度改善，且這通常將會(huì)產(chǎn)生二至四倍的傳輸范圍改善。當(dāng)然，LE編碼PHY的缺點(diǎn)是TX和RX時(shí)間將會(huì)更長(zhǎng)，進(jìn)而導(dǎo)致平均功耗增加。表2是LE編碼PHY關(guān)鍵參數(shù)的總結(jié)。

前向錯(cuò)誤修正和模式映像器

LE編碼PHY也可改變TX和RX操作的比特流處理，并且在封包傳送和接收中增加兩個(gè)步驟。

首先，LE編碼PHY會(huì)針對(duì)封包應(yīng)用前向錯(cuò)誤修正，使得接收器具有在接收封包時(shí)修正位錯(cuò)誤的能力，并降低封包錯(cuò)誤率。其次，會(huì)針對(duì)封包應(yīng)用模式映像器，以提高通訊效率。圖3所示為新的比特流PDU處理順序。

如圖4所示，FEC區(qū)塊透過回旋式糾錯(cuò)編碼器將每個(gè)輸入位轉(zhuǎn)換為兩個(gè)輸出位，這意味著在針對(duì)封包應(yīng)用FEC時(shí)，所傳輸?shù)奈粩?shù)將會(huì)復(fù)制。

來自回旋式FEC編碼器的位會(huì)在模式映像器中轉(zhuǎn)換為P符號(hào)。P值取決于所選擇的編碼方案。若S=2，則P值為1，但是若S=8，則FEC編碼器的每個(gè)位會(huì)產(chǎn)生四個(gè)輸出位(P=4)，如表3所示。

當(dāng)使用S=2時(shí)，無線傳輸范圍大約會(huì)增加為二倍，而S=8時(shí)，則為四倍。FEC算法所要求的額外位會(huì)對(duì)有效負(fù)載產(chǎn)生負(fù)擔(dān)，這是增加傳輸范圍的缺點(diǎn)。

實(shí)際上，若S=2，則沒有變化(P=1)，但是從S=8，FEC編碼器的每個(gè)位均將產(chǎn)生四個(gè)輸出位(P=4)。現(xiàn)在S=2時(shí)，傳輸范圍將大約增加為二倍，而S=4則約為四倍。

缺點(diǎn)是接收器末端的FEC算法會(huì)需要額外的數(shù)據(jù)，這將影響數(shù)據(jù)的傳輸量，從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)速率相應(yīng)地降低。FEC編碼器和模式映像器的凈效果是在S=2時(shí)一位變?yōu)閮晌唬?/span>S=8時(shí)則變?yōu)?/span>8位。

最大發(fā)射功率和信道選擇算法

Bluetooth 5中的最大發(fā)射功率定義為+20dBm，而在Bluetooth 4規(guī)格中，此層級(jí)定義為+10dBm。當(dāng)然，將TX功率提高十倍可能會(huì)對(duì)最大傳輸范圍產(chǎn)生根本的影響。但是，使用+20dBm TX功率并搭配低功耗藍(lán)牙技術(shù)卻不是容易的做法，因?yàn)椴煌闹鞴軝C(jī)構(gòu)不允許高于10dBm的發(fā)射功率，這是由于在進(jìn)行廣告推送或連接時(shí)，低功耗無線電的藍(lán)牙僅可使用簡(jiǎn)化的跳頻序列和少量的通道。

然而，Bluetooth 5規(guī)格在廣告推送和信道選擇算法方面皆有所強(qiáng)化，使其可使用比Bluetooth 4更多的射頻(RF)通道。這些增強(qiáng)功能可允許Bluetooth 5裝置未來將可在全球各地使用高于+10dBm的傳輸功率，從而提升傳輸范圍并建立更強(qiáng)大的連接。

其中一個(gè)新功能是信道選擇算法#2(CSA#2)，既能提高藍(lán)牙無線電的干擾容限，也可以讓無線電限制無線電在高干擾環(huán)境中可使用的最小射頻通道數(shù)量。將通道的最小數(shù)量限制為15時(shí)，應(yīng)可將TX功率增加至+10dBm限制以上。

對(duì)傳輸范圍的影響

若要粗略估計(jì)無線電的傳輸范圍理論值，最簡(jiǎn)單的方法是使用自由空間損耗公式(公式1)：

......................................................公式1

F是頻率(單位為GHz)，D是距離(單位為公里)。然而，此公式并未考慮由多徑傳播(反射)引起的損耗以及天線損耗，因此通常會(huì)導(dǎo)致過于樂觀的近似值。

為了得到更逼真的范圍近似值，可假設(shè)具有天線(位于地面以上的h公尺)的開放場(chǎng)地，并計(jì)算考慮天線損耗和地面反射的傳輸范圍。此近似值將可在開放場(chǎng)地(例如機(jī)場(chǎng))中提供非常精確的范圍估計(jì)。平坦地面損耗可使用公式2計(jì)算：

......................................................公式2

其中h1和h2分別是天線的高度，k是自由空間波數(shù)，而r是天線之間的距離。自由空間損耗和平坦地面損耗之間的差別如圖5所示。

為了進(jìn)一步簡(jiǎn)化，若距離不超過dm，可采用20dB/十倍頻的損耗估計(jì)值，若超出此距離，則為40dB/十倍頻，因此得到公式3：

.......................公式3

在公式3中，h1和h2是地面上天線的高度。若將天線放置于更高的位置，即可進(jìn)一步移動(dòng)距離dm，進(jìn)而增加傳輸范圍，反之亦然。

在典型的藍(lán)牙應(yīng)用中，連結(jié)遠(yuǎn)程所在的方向未明確指定，因此天線的增益在估計(jì)傳輸范圍時(shí)并不相關(guān)。天線效率是一個(gè)數(shù)字，用以說明與饋入天線的RF能量相較，輻射至空中的RF能量的總量。因此，無論裝置的位置如何，效率皆能提供較準(zhǔn)確的平均傳輸范圍估計(jì)值。透過最佳的天線設(shè)計(jì)，可達(dá)到-1dB的天線效率。

實(shí)際上，天線效能與印刷電路板(PCB)和天線的機(jī)械設(shè)計(jì)有極大的關(guān)聯(lián)。采用良好天線設(shè)計(jì)的典型效率為-5dB。實(shí)際上，在天線效率不超過-8dB的極小型設(shè)計(jì)中，天線的實(shí)體尺寸和印刷電路板設(shè)計(jì)的尺寸也會(huì)對(duì)天線效率有所影響(表4)。

八倍長(zhǎng)距離廣告推送

信標(biāo)是小型藍(lán)牙發(fā)射器，可將數(shù)據(jù)傳送至范圍內(nèi)的任何其他支持低功耗藍(lán)牙技術(shù)的裝置，如智能型手機(jī)和平板計(jì)算機(jī)。信標(biāo)使其可將簡(jiǎn)訊推送至這些裝置，并與其進(jìn)行簡(jiǎn)單的通訊。信標(biāo)目前通常應(yīng)用于零售業(yè)廣告、室內(nèi)定位及資產(chǎn)追蹤。信標(biāo)已迅速成為藍(lán)牙最成功的使用案例之一，且估計(jì)將會(huì)繼續(xù)快速成長(zhǎng)。分析師預(yù)測(cè)到2021年前信標(biāo)出貨量將超過五億個(gè)。

Bluetooth 5規(guī)格的主要改善之一是藍(lán)牙廣告(信標(biāo))的運(yùn)作原理，與舊版規(guī)格相較，新規(guī)格相包含信標(biāo)功能的重大更新。這些改善不僅允許開發(fā)出更多進(jìn)階和智能型的信標(biāo)，而且還可使用全新的使用案例和應(yīng)用，如透過藍(lán)牙廣告的單向數(shù)據(jù)串流。以下為藍(lán)牙廣告功能最重要變更的簡(jiǎn)要介紹。

廣告推送數(shù)據(jù)集和掃描請(qǐng)求事件報(bào)告

Bluetooth 5廣告推送的基本改善之一是廣告推送數(shù)據(jù)集功能，允許單一Bluetooth 5裝置以獨(dú)特的時(shí)間間隔和廣告數(shù)據(jù)傳送多個(gè)個(gè)別廣告數(shù)據(jù)集。例如，這可使單一藍(lán)牙信標(biāo)同時(shí)傳輸蘋果(Apple) iBeacon和Google Eddystone信標(biāo)。

Bluetooth 5兼容廣告商現(xiàn)在也可偵測(cè)遠(yuǎn)程裝置何時(shí)進(jìn)行掃描要求，并向應(yīng)用層級(jí)報(bào)告要求。應(yīng)用可利用此功能偵測(cè)遠(yuǎn)程裝置是否已收到其傳送的廣告封包之一。這在包括降低功耗等數(shù)方面有所幫助，因?yàn)閺V告商將能偵測(cè)遠(yuǎn)程裝置已接收到所送的廣告封包并可停止廣告。

次要廣告通道

Bluetooth 4裝置使用三個(gè)廣告信道來推送裝置的狀態(tài)、開啟連接或廣播數(shù)據(jù)。單一廣告封包中的有效負(fù)載限制于三十一個(gè)字節(jié)。單一128位服務(wù)通用唯一標(biāo)識(shí)符(Universally Unique Identifier, UUID)可能會(huì)消耗大部分廣告有效負(fù)載，對(duì)于某些應(yīng)用(如進(jìn)階信標(biāo))而言，這將會(huì)是一個(gè)限制。

Bluetooth 5對(duì)于此項(xiàng)限制已做出重大的變更。首先，三個(gè)廣告通道將維持與Bluetooth 4完全相同，以提供向后兼容性和互操作性，但現(xiàn)在稱為主要廣告通道。除了三個(gè)主要廣告信道外，Bluetooth 5裝置可以使用其余的三十七個(gè)數(shù)據(jù)信道中的任何一個(gè)作為次要廣告信道來播放更多數(shù)據(jù)并分擔(dān)主要信道的負(fù)載。表5為Bluetooth 4和Bluetooth 5廣告推送通道方案之間的差異總結(jié)。

次要廣告推送封包

除了新的廣告通道外，Bluetooth 5還引入一種名為ADV_EXT_IND的全新廣告封包類型。此封包可以在主要廣告通道上傳送，并指示可透過次要廣告提供額外的數(shù)據(jù)。ADV_EXT_IND封包包含次要廣告的相關(guān)信息，例如在哪個(gè)通道上發(fā)生廣告、何時(shí)發(fā)生，以及將使用哪個(gè)Bluetooth PHY。

在最簡(jiǎn)單的使用案例中，AUX_ADV_IND封包在包含附加廣告有效負(fù)載的次要廣告信道上傳送(圖6)。AUX_ADV_IND封包可包含最多255個(gè)字節(jié)的有效負(fù)載。

若廣告商希望傳送多于一個(gè)AUX_ADV_IND封包可包含的數(shù)據(jù)，則可使用AUX_CHAIN_IND封包鏈接多個(gè)次要廣告(圖7)。AUX_CHAIN_IND封包也可包含指向附加AUX_CHAIN_IND封包的指標(biāo)，以傳送超過255個(gè)字節(jié)的廣告有效負(fù)載。

圖6 使用包含廣告推送數(shù)據(jù)的ADV_EXT_IND PDU和AUX_ADV_IND PDU的廣告推送事件

定期廣告推送

Bluetooth 5廣告能力的另一項(xiàng)改善則稱為「定期廣告推送」的模式。顧名思義，定期廣告推送使廣告商能定期地以固定的時(shí)間間隔傳送變化的廣告資料，且有一或多個(gè)掃描儀可以接聽。使用ADV_EXT_IND封包指示定期廣告模式，該封包會(huì)指向AUX_ADV_IND封包，其中包含有關(guān)定期廣告模式的實(shí)際信息，如間隔、跳頻序列、廣告商地址等。廣告商亦將以識(shí)別的間隔傳送包含實(shí)際定期廣告數(shù)據(jù)的AUX_SYNC_IND封包(圖8)。

廣告商將定期傳送新的ADV_EXT_IND封包，以便新的掃描儀可與數(shù)據(jù)流同步，或現(xiàn)有的掃描儀可繼續(xù)遺失的同步作業(yè)(表6)。

藍(lán)牙5新產(chǎn)品紛紛上市

第一款支持Bluetooth 5的手機(jī)和平板計(jì)算機(jī)已在2017年上市，一般而言，在新藍(lán)牙規(guī)格發(fā)表后的2至4年內(nèi)，市場(chǎng)上的大多數(shù)手機(jī)皆會(huì)支持新的標(biāo)準(zhǔn)。在撰寫本文時(shí)，市場(chǎng)上第一款支持Bluetooth 5規(guī)格的手機(jī)是三星Galaxy S8，該手機(jī)可支持Bluetooth LE 2M PHY。除了Bluetooth 5規(guī)格中的勘誤表，其余新功能皆是可選功能，建議咨詢制造商或了解特定裝置支持哪些Bluetooth 5功能。

IoT/智能家居成藍(lán)牙5主戰(zhàn)場(chǎng)

Bluetooth 5包含多項(xiàng)改善和新功能，使得在產(chǎn)業(yè)開始積極朝向物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代發(fā)展時(shí)，此穩(wěn)定且成熟的無線標(biāo)準(zhǔn)即已占有先機(jī)。Bluetooth 5中引入的改善功能使藍(lán)牙裝置在日新月異的智能家庭、醫(yī)療、穿戴式裝置、汽車、信標(biāo)、定位和其他許多物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中的使用率日益成長(zhǎng)。

芯科科技(Silicon Labs)已陸續(xù)推出與Bluetooth 5兼容的EFR32 Blue Gecko系統(tǒng)單芯片(SoC)，以支持Bluetooth LE 2M PHY及更多廣告增強(qiáng)功能。最新型EFR32xG13系列產(chǎn)品支持所有Bluetooth 5特性和功能，支持512kB閃存容量及滿足更長(zhǎng)藍(lán)牙傳輸距離要求的更高性能PHY。該系列SoC之設(shè)計(jì)旨在可同時(shí)運(yùn)行藍(lán)牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)和Bluetooth 5協(xié)議堆棧，并且支持智能型手機(jī)和藍(lán)牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)連接。