Bluetooth® 5如何最大限度提高Bluetooth低能耗連接范圍

借助核心技術(shù)規(guī)格5.0版本，Bluetooth®不再作為一個(gè)只用于個(gè)人局域網(wǎng)絡(luò)(PAN)的無(wú)線協(xié)議存在。在這個(gè)技術(shù)規(guī)格中新增加了3個(gè)數(shù)據(jù)速率，其中兩個(gè)是專門定制的，用來(lái)提高Bluetooth低能耗連接的范圍。通過(guò)良好的室內(nèi)和室外覆蓋率，該提升可以使網(wǎng)絡(luò)變得更加便捷，而且非常適用于住宅、樓宇和工業(yè)自動(dòng)化中所使用的物聯(lián)網(wǎng)(IoT)產(chǎn)品。

不過(guò)，Bluetooth 5無(wú)線鏈路的實(shí)際范圍到底是多少?通過(guò)使用全新的125kbps編碼物理層(PHYsical)格式，TI此前曾演示過(guò)基于兩個(gè)SimpleLink™ Bluetooth低能耗CC2640R2F無(wú)線微控制器(MCU)LaunchPad™開發(fā)套件之間1.6km的室外范圍，而這個(gè)范圍實(shí)在是令人印象深刻。那么，我們?yōu)槭裁床辉贑C2640R2F無(wú)線MCU數(shù)據(jù)表中明確提出1.6km范圍的技術(shù)規(guī)格呢?

來(lái)之不易的微型芯片：CC2640R2F無(wú)線MCU提供數(shù)個(gè)封裝選項(xiàng)，其中包括一個(gè)2.7mm x 2.7mm的芯片級(jí)封裝(WCSP)

不巧的是，事情往往沒(méi)那么簡(jiǎn)單。作為系統(tǒng)開發(fā)人員和RF設(shè)計(jì)人員，我們能夠明確影響范圍的參數(shù)，同時(shí)，我們還可以利用可靠且可重復(fù)的結(jié)果在受控環(huán)境中測(cè)量這些參數(shù)。但是當(dāng)在真實(shí)環(huán)境中使用RF器件時(shí)，這個(gè)由測(cè)量得出的“最終結(jié)果”卻會(huì)出現(xiàn)顯著的差異。在這個(gè)真實(shí)環(huán)境中，多重反射、障礙物以及對(duì)RF活動(dòng)的干擾將會(huì)形成兩個(gè)隨機(jī)變量，這兩個(gè)變量將決定用戶是否能夠在為設(shè)備選擇的兩個(gè)定位之間建立起一個(gè)鏈路。第一個(gè)變量是傳輸路徑損耗，這一參數(shù)測(cè)量的是接收器所獲得的發(fā)射功率;第二個(gè)變量是接收器所在位置的實(shí)際靈敏度等級(jí)。后者取決于接收器周圍有多少干擾RF功率。如果沒(méi)有干擾的存在，這個(gè)靈敏度等級(jí)則由熱背景噪聲決定，并且將與數(shù)據(jù)表中規(guī)定的靈敏度相對(duì)應(yīng)。

一個(gè)用來(lái)描述RF系統(tǒng)覆蓋范圍能力的常用術(shù)語(yǔ)是鏈路預(yù)算。鏈路預(yù)算是發(fā)射功率與靈敏度等級(jí)之間的比或比率。在一個(gè)正在運(yùn)行的RF鏈路中，發(fā)射器將以一個(gè)指定的RF功率級(jí)進(jìn)行發(fā)送，而這個(gè)RF功率的一部分(通常情況下非常微小)將被接收天線接收，并且饋入到接收器當(dāng)中。如果這部分過(guò)于微小，那么接收到的功率級(jí)將下降到接收器靈敏度等級(jí)以下，這條鏈路也將出現(xiàn)故障。因此，鏈路預(yù)算被定義為發(fā)射功率與接收器靈敏度等級(jí)之間的比率，或者用公式表達(dá)為

為了方便起見，鏈路預(yù)算通常以對(duì)數(shù)刻度(dB)為單位進(jìn)行表示。輸出功率和靈敏度通常被表示為相對(duì)于1mW(dBm)的一個(gè)對(duì)數(shù)刻度。這意味著

從上述等式中你可以清楚發(fā)現(xiàn)兩種提升鏈路預(yù)算的方法：

l 增加輸出功率

l 改進(jìn)(減少)接收器靈敏度等級(jí)

提高輸出功率是非常簡(jiǎn)單又直接的方法，但是要為此而付出的代價(jià)是功耗的增加，有時(shí)這種代價(jià)會(huì)很大，并且最終會(huì)引起法律法規(guī)方面的問(wèn)題。所有的監(jiān)管區(qū)域均限制了RF發(fā)射能級(jí)和有害雜散發(fā)射，而這兩者都會(huì)在發(fā)射功率提高時(shí)有所增加。

另一個(gè)選擇是在Bluetooth 5以提供4倍的RF范圍被采用時(shí)，提高接收器的靈敏度。這是藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟(Bluetooth SIG)選擇的一條途徑。我們之前也采用過(guò)這種方法，以最低功耗來(lái)提供具有最長(zhǎng)范圍的Bluetooth低能耗解決方案。需要注意的一點(diǎn)是，藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟或任何一家硬件廠商包括TI，都沒(méi)有規(guī)定實(shí)際的范圍。我們規(guī)定的只是基于靈敏度方面切實(shí)可行的、對(duì)改進(jìn)程度可測(cè)量的一個(gè)理論上的比率。如果我們能夠在一個(gè)完全受控的環(huán)境中來(lái)測(cè)量這個(gè)范圍，我們就將在實(shí)際應(yīng)用中看到精確改進(jìn)后的效果。但是一個(gè)受控環(huán)境要么是一個(gè)消音天線室，要么是外部空間(沒(méi)有其它的輻射源)。不幸的是，在測(cè)試范圍方面，無(wú)論是千米長(zhǎng)的天線室，還是外部空間，在經(jīng)濟(jì)上都是不可行的。

在自由空間內(nèi)，范圍的加倍需要鏈路預(yù)算提升四倍，或者增加6dB。與2010年左右就已出現(xiàn)的初代1M/s Bluetooth 4.0 LE接收器相比，對(duì)于全新Bluetooth 5長(zhǎng)距離數(shù)據(jù)速率來(lái)說(shuō)，范圍提升四倍意味著將靈敏度提高12dB。

當(dāng)藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟對(duì)全新編碼物理層進(jìn)行定義和討論時(shí)，最好的Bluetooth低能耗接收器的靈敏度等級(jí)大約為-93dBm。這曾經(jīng)被用作全新編碼物理層的參考基準(zhǔn)，所以全新的調(diào)制和編碼格式也將需要適應(yīng)真實(shí)環(huán)境中的靈敏度等級(jí)，也就是-105dBm。這也正是全新125kbps編碼物理層所能實(shí)現(xiàn)的功能，而它是通過(guò)一個(gè)雙向方法做到的。最大的改進(jìn)僅僅是數(shù)據(jù)速率被減少至1/8，而這意味著對(duì)于任意指定的功率級(jí)，每個(gè)位所攜帶的能量要比之前多八倍。理論上，這使得接收器能夠在功率級(jí)低9dB的情況下接收信號(hào)，并且仍像之前一樣，每一位積聚同樣多的能量。

對(duì)于我們所需要的12dB，我們?nèi)匀挥?dB的缺口。這最后的3dB可以通過(guò)采用的編碼來(lái)實(shí)現(xiàn)。這個(gè)-93dBm比較級(jí)(對(duì)于1Mbps來(lái)說(shuō))假定了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差解調(diào)器，根據(jù)與之前符號(hào)的比較，解調(diào)器中每一個(gè)接收到的符號(hào)(每個(gè)位1個(gè)符號(hào))被確定為“1”或“0”。這個(gè)編碼物理層使半相干接收器的運(yùn)行更加便捷，其中的8個(gè)符號(hào)組成1位，而相關(guān)器可以搜索這些已知的符號(hào)序列。

目前，CC2640R2F無(wú)線MCU可以提供達(dá)到-103dBm的業(yè)內(nèi)最佳靈敏度等級(jí)，只比-105dBm的目標(biāo)少2dB。借助CC2640R2F器件所提供的+5dBm輸出功率，這款器件提供了高達(dá)108dBm的鏈路預(yù)算。TI不斷擴(kuò)展SimpleLink CC264x器件系列，使它們具有更多的存儲(chǔ)器和更高的安全性，而借助這些器件，我們離藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟在2017年設(shè)定的12dB的目標(biāo)更進(jìn)了一步。

以上就是在Bluetooth 5中將靈敏度提升12dB的方法，以及從理論上講，相對(duì)于第一個(gè)Bluetooth低能耗接收器，如何在不增加輸出功率的情況下將它的范圍提升四倍。與此同時(shí)，通過(guò)采用不同的技術(shù)工藝，這款全新的CC2640R2F無(wú)線MCU已經(jīng)將1Mbps靈敏度等級(jí)從-93dBm提升至-97dBm，這就使得其在性能方面與相干接收器的距離又拉近了一點(diǎn)。

在TI位于挪威奧斯陸辦公室附近的一個(gè)高度不受控的環(huán)境中，我們已經(jīng)使用包含125kbps PHY的全新SimpleLinkCC2640R2F無(wú)線MCU進(jìn)行了一個(gè)戶外范圍測(cè)試，在這個(gè)環(huán)境中，我們能夠保持一個(gè)范圍超過(guò)1.6km的連接。

雖然實(shí)際范圍會(huì)如之前所述，隨著環(huán)境和應(yīng)用的變化而改變，但這個(gè)實(shí)驗(yàn)的主要成果在于，與Bluetooth 4.x相比，Bluetooth 5必然能夠大幅提高范圍，而這也使那些激動(dòng)人心的全新應(yīng)用成為可能。

最后，必須提到的一點(diǎn)是，功耗仍然是大多數(shù)Bluetooth低能耗應(yīng)用所關(guān)心的主要問(wèn)題。我們?cè)谘菔局兴褂玫陌l(fā)射功率級(jí)只有+5dBm，發(fā)射時(shí)的峰值電流大約9mA，接收時(shí)這個(gè)值達(dá)到6mA。與CC2640R2F器件的極低待機(jī)流耗組合在一起，對(duì)于Bluetooth低能耗應(yīng)用來(lái)說(shuō)，這可以實(shí)現(xiàn)巨大的室內(nèi)和室外覆蓋率，并且可以由一塊紐扣電池供電運(yùn)行數(shù)年。

在使用由一個(gè)小紐扣電池供電，并且能夠與住宅、樓宇或工廠的任何一個(gè)角落進(jìn)行數(shù)據(jù)往來(lái)的Bluetooth低能耗連接時(shí)，技術(shù)的創(chuàng)新是永無(wú)止境的。

預(yù)計(jì)在2017年第二和第三季度發(fā)行的軟件開發(fā)套件(SDK)，支持針對(duì)SimpleLinkCC2640R2F無(wú)線MCU的全新Bluetooth低能耗標(biāo)準(zhǔn)。而這款SimpleLinkCC2640R2F無(wú)線MCU已經(jīng)從2016年12月初就已投入大規(guī)模生產(chǎn)。