根据高盛的一篇文章,在20世纪90年代,有大约10亿个设备被连接到互联网。在2000年左右“智能手机的时代”,这个数字上升到20亿。ABI Research现在预测,到2021年,将有480亿个设备被连接到互联网,我们可能将其称为“物联网时代”。在这480亿台设备中,有30%是蓝牙设备。

 

这不是巧合。蓝牙低功耗已被积极开发,使其成为物联网(IoT)的关键推动力。蓝牙5Bluetooth 5.0带来了一些重大的技术进步,使其成为比以往更广泛的物联网场景的理想选择。

 

蓝牙5和蓝牙4的传输范围比较

 

低功耗蓝牙范围比预计的要长得多,即使是比起蓝牙4。根据作者的非正式测试,使用的Android智能手机和低功耗蓝牙MCU,在距离MCU超过350米的距离仍能显示智能手机接收蓝牙信号。该测试是在不适合无线电通信的环境中进行的,包含了许多人和树木。而市面上还有商业蓝牙模块,有资料表明500米的范围是可能的。

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既然蓝牙4对低功耗无线通信技术来说有非常好的范围,为什么还要进一步增加它呢?有许多需要更大范围的例子。智能家居就是一个例子,在一定程度上,它揭示了蓝牙5背后的一些关键目标以及其范围的扩大。

 

想象一下一个大房子,每个房间里都有各种各样的传感器,在墙上的空间,地板下,阁楼和每个门窗上。想像一下各种系统,如照明,暖气和空调,都由蓝牙控制。进一步考虑户外灯光,还有更多的传感器在花园里,周边围栏和大门上。这是真正智能智能家居,能够监控是否有人,是否安全,能源效率等等,并能够支持对关键系统和设备的自动和手动控制。

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智能家居对无线技术提出了重大要求。覆盖整个家庭是一个强制性要求,一种实现这一目标的方法是确保直接通信设备之间的对等范围是足够的,即使考虑通过家庭中通常的物理障碍之后的信号衰减。

 

三个PHY的故事

 

物理层

蓝牙是一个完整的协议栈。堆栈的底层称为物理层,通常称为“PHY”。

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蓝牙5为蓝牙4中使用的PHY规范添加了两个新的PHY变体。每个PHY变体都有其自己的特定特征,并设计了具体的目标。这三个PHY被命名为允许它们在规范中被引用。他们的名字是LE 1M,LE 2M和LE Coded。

 

LE 1M

LE1M是蓝牙4中使用的PHY。它使用高斯频移键控,每秒符号速率为1兆(Ms / s)。由于一个符号对应于一个数据位,因此与堆栈的高位相关联,比特率为1Mb / s。LE 1M可继续用于蓝牙5,实际上它的支持是强制性的。

 

LE 2M – 加倍速度

新的LE 2M PHY允许物理层以2 Ms / s的速率运行,从而实现比LE 1M和蓝牙4更高的数据传输速率。其在堆栈实现中的支持是可选的。稍后我们将在此博客中发表关于蓝牙5的更高速PHY的另一篇文章。

 

LE Coded - 4 X范围

与蓝牙4相比,LE Coded PHY允许的范围是四倍(大约),这已经在不增加所需传输功率的情况下实现。后一点当然是重要的。

 

传输范围的含义

 

要了解如何实现这一点,就需要考察无线通信系统中“范围”的含义。

 

蓝牙是无线电技术,无线电是电磁辐射的一种形式。在电信方面,最大范围的问题可以表示为“从接收信号中正确提取数据的最大范围是多少”,而不是“这种电磁能量行进和仍然被检测到的距离”。

 

这个区别涉及我们如何使用无线电对数据进行编码和传输,以及背景噪声如何影响无线电接收机对该数据的解码。符号,通过调制载波信号来表示二进制零或一个被传送。接收机必须接收信号并将其重新转换成相同的符号,并且通过扩展,产生相同的二进制数。由接收机解码将零解码为一,或由一到零,都是错误的。

 

接收机的工作由于背景辐射或环境中的“噪声”而变得复杂。背景噪声的电平越接近于接收信号,解码接收信号越困难,并且在某些时候开始出现解码错误。

 

通常,我们将信号强度与背景噪声的比值称为“信噪比”(SNR)。接收信号的强度随着接收机远离发射机而减小,因此随着背景噪声水平的变化或降低,信噪比降低。因此,解码错误发生的概率增加。

 

我们可以量化错误级别,我们将其称为误码率(BER)。BER本质上是发送的位将被接收器错误地解码的概率。然后,我们可以说明在给定的接收机输入电平下我们将容忍的BER的限制。蓝牙定义了0.1%的BER作为接收机必须达到的限制。指定的BER限制和输入接收机电平通常被称为接收机灵敏度。

 

因此,在不增加发射机功率的情况下增加蓝牙的范围实际上是在距离发射机更远的距离处实现相同的最大允许BER。换句话说,就是增加接收机的灵敏度。

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处理错误

在通信系统中,错误通过两种广泛的策略来处理。第一个是错误检测,第二个是错误校正。

 

错误检测

存在让接收机检测错误的各种方案。奇偶校验位几十年前首先在纸和磁带系统中使用。有线串行通信系统仍然依赖于奇偶校验位来允许接收机检测到一个或多个比特被错误地解码。

 

还可以使用几种类型的校验和。蓝牙使用一种称为循环冗余校验(CRC)的校验和。所有包具有由发射机为它们计算并附加到包的24比特CRC值。接收机重新计算CRC,并将计算的值与附加到包的值进行比较。如果它们不一样,则发生错误。

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在检测到错误的情况下,系统可以以一种或两种不同的方式进行响应。他们可以放弃通信,或者他们可以请求或暗示发射机应该再次发送数据,希望随后的尝试成功。蓝牙4和蓝牙5都使得发送器在CRC校验失败时重新发送数据,简单地是不通过链路层确认数据包。无法接收确认,使发射机再次发送数据。

 

纠错

可以不仅在接收机处检测到错误,而且还可以达到一定的限制纠正它们,使得接收机不需要重新发送数据。

 

版本4的蓝牙低功耗不执行纠错,只能进行错误检测。蓝牙5引入了纠错能力。使用先进的纠错技术的校正误差具有主要的优点,即数据可以在较低的SNR下被正确地解码,并且因此可以离发射机的距离更远。

 

想象一下,在没有应用任何形式的纠错的情况下,在一定范围内会遇到最大BER。如果我们现在“神奇地”纠正这些错误中的一些或全部错误,那么BER将被减少,因此我们的有效范围增加。当然,即使在应用了纠错的情况下,BER仍然可以达到最大允许范围,在这一点上,我们处于新的更长的有效范围。

 

蓝牙5增大传输范围的秘诀

 

蓝牙5增加范围的基础的魔法其实就是数学,而不是魔术。

 

FEC

LE Coded PHY使用前向纠错(FEC),一种特定的纠错方法。它通过向传输的数据包添加额外的冗余位来起作用。这些位的唯一目的是支持FEC算法的应用,从而可以进行纠错。

 

LE Coded PHY中的新的纠错能力为由蓝牙低功耗中的链路层执行的比特流处理增加了两个阶段,如下所示。

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FEC编码使用卷积编码器,其使用以下生成多项式为每个输入数据位生成2个位:

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LE Coded可以选择2种不同的编码方案,称为S = 2和S = 8。模式映射器将来自卷积FEC编码器的每个位转换为P个符号,其中P的值取决于使用的编码方案。如果S = 2,那么实际上没有改变(即P = 1),但是如果S = 8,则来自FEC编码器的每个比特从图形映射器产生4个输出比特(即P = 4)。具体内容如下图所示。

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使用LE Coded PHY选择编码方案S = 2或S = 8有两个后果。当S = 2时,范围将大致加倍,而S = 8时,范围将翻番。但是可以看出,由于需要冗余数据来支持接收机的FEC算法,它还会影响必须发送的符号数量,从而降低总体数据速率。具体来说,当S = 8时,当S = 2或8位时,通过FEC编码器和模式映射器的一位将变为2位。我会解释这下面的后果。

 

LE Coded分组结构

LECoded PHY使用修改的分组结构,如下所示。

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与蓝牙4LE 1M相比,差异如下:

 

扩展前导码:

前导字段由接收机用于设置其增益控制,以确定正在使用哪些频率表示0和1并执行符号定时估计。蓝牙5中的蓝牙4个数据包和LE 1M数据包使用交替的1和0的8位前导码。LE 2M使用16位前导码,由于其增加的符号速率,它需要相同的时间来到达。另一方面,LE Coded使用由10位重复的8位模式'00111100'组成的80位前同步码。最重要的是,前导字段不进行FEC编码。前导码还可以用于确定分组对应于哪个PHY。

 

FEC1

分组的其余部分被划分为FEC块1和FEC块2。FEC块1用S = 8编码以获得最大冗余,并且包括用于对FEC块2进行编码的编码指示符(CI) S = 2或S = 8)。每个块以TERM值结束,该值为000的位模式。在位流处理期间,TERM值具有复位FEC编码器的作用。

 

FEC2

第二FEC块包含分组的剩余部分,包括PDU本身和CRC。它被编码为S = 2或S = 8,如FEC块1中的CI所指示。

 

LE Coded符号率:

LECoded PHY使用1 Ms / s的符号速率,即与LE 1M使用的符号速率相同。

 

比较三个PHY

 

下表介绍了与蓝牙5中的三个PHY相关的关键指标。

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本文的重点是蓝牙5的“长距离”能力,它利用了新的LE Coded PHY。在这一点上,值得添加更多的上下文。新的主机控制器接口(HCI)“LE Set PHY”命令允许主机彼此独立地选择他们希望用于每个传输(TX)和接收(RX)的PHY。可以设想,对于需要最高数据速率的那些用例或者在需要时切换到“长距离模式”(对于控制无人机来说很重要),例如,应用可能希望切换到“2Ms / s模式”。

 

还可以使用HCI“LE Set Default PHY”命令设置默认PHY,并使用HCI“LE Read Remote Features”命令查询远程对等设备的功能。后者返回各种信息,并包括远程设备支持的PHY的细节。

 

结论

 

蓝牙5代表了蓝牙技术的巨大变化。全新的长距离LE Coded PHY提供了整个家庭和建筑覆盖。新的工业应用也将成为可能。

 

蓝牙5将在许多领域产生重大影响,并进一步将其定位为物联网的低功耗无线技术。在博客中注意有关蓝牙5的更多文章!

 

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原文链接:https://blog.bluetooth.com/exploring-bluetooth-5-going-the-distance

 

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