Bluetooth® 5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®不再作為一個只用于個人局域網(wǎng)絡(luò)(PAN)的無線協(xié)議存在。在這個技術(shù)規(guī)格中新增加了3個數(shù)據(jù)速率，其中兩個是專門定制的，用來提高Bluetooth低能耗連接的范圍。通過良好的室內(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)自動化中所使用的物聯(lián)網(wǎng)(IoT)產(chǎn)品。

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

來之不易的微型芯片：CC2640R2F無線MCU提供數(shù)個封裝選項，其中包括一個2.7mm x 2.7mm的芯片級封裝(WCSP)

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

一個用來描述RF系統(tǒng)覆蓋范圍能力的常用術(shù)語是鏈路預(yù)算。鏈路預(yù)算是發(fā)射功率與靈敏度等級之間的比或比率。在一個正在運行的RF鏈路中，發(fā)射器將以一個指定的RF功率級進(jìn)行發(fā)送，而這個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。如果這部分過于微小，那么接收到的功率級將下降到接收器靈敏度等級以下，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于1mW(dBm)的一個對數(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：

增加輸出功率

改進(jìn)(減少)接收器靈敏度等級

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

另一個選擇是在Bluetooth 5以提供4倍的RF范圍被采用時，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。我們之前也采用過這種方法，以最低功耗來提供具有最長范圍的Bluetooth低能耗解決方案。需要注意的一點是，藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟或任何一家硬件廠商包括TI，都沒有規(guī)定實際的范圍。我們規(guī)定的只是基于靈敏度方面切實可行的、對改進(jìn)程度可測量的一個理論上的比率。如果我們能夠在一個完全受控的環(huán)境中來測量這個范圍，我們就將在實際應(yīng)用中看到精確改進(jìn)后的效果。但是一個受控環(huán)境要么是一個消音天線室，要么是外部空間(沒有其它的輻射源)。不幸的是，在測試范圍方面，無論是千米長的天線室，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，對于全新Bluetooth 5長距離數(shù)據(jù)速率來說，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)盟對全新編碼物理層進(jìn)行定義和討論時，最好的Bluetooth低能耗接收器的靈敏度等級大約為-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)真實環(huán)境中的靈敏度等級，也就是-105dBm。這也正是全新125kbps編碼物理層所能實現(xiàn)的功能，而它是通過一個雙向方法做到的。最大的改進(jìn)僅僅是數(shù)據(jù)速率被減少至1/8，而這意味著對于任意指定的功率級，每個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低9dB的情況下接收信號，并且仍像之前一樣，每一位積聚同樣多的能量。

對于我們所需要的12dB，我們?nèi)匀挥?dB的缺口。這最后的3dB可以通過采用的編碼來實現(xiàn)。這個-93dBm比較級(對于1Mbps來說)假定了一個標(biāo)準(zhǔn)差解調(diào)器，根據(jù)與之前符號的比較，解調(diào)器中每一個接收到的符號(每個位1個符號)被確定為“1”或“0”。這個編碼物理層使半相干接收器的運行更加便捷，其中的8個符號組成1位，而相關(guān)器可以搜索這些已知的符號序列。

目前，CC2640R2F無線MCU可以提供達(dá)到-103dBm的業(yè)內(nèi)最佳靈敏度等級，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，相對于第一個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，通過采用不同的技術(shù)工藝，這款全新的CC2640R2F無線MCU已經(jīng)將1Mbps靈敏度等級從-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。

在TI位于挪威奧斯陸辦公室附近的一個高度不受控的環(huán)境中，我們已經(jīng)使用包含125kbps PHY的全新SimpleLink CC2640R2F無線MCU進(jìn)行了一個戶外范圍測試，在這個環(huán)境中，我們能夠保持一個范圍超過1.6km的連接。

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

最后，必須提到的一點是，功耗仍然是大多數(shù)Bluetooth低能耗應(yīng)用所關(guān)心的主要問題。我們在演示中所使用的發(fā)射功率級只有+5dBm，發(fā)射時的峰值電流大約9mA，接收時這個值達(dá)到6mA。與CC2640R2F器件的極低待機(jī)流耗組合在一起，對于Bluetooth低能耗應(yīng)用來說，這可以實現(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行數(shù)年。

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

預(yù)計在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SimpleLink CC2640R2F無線MCU的全新Bluetooth低能耗標(biāo)準(zhǔn)。而這款SimpleLink CC2640R2F無線MCU已經(jīng)從2016年12月初就已投入大規(guī)模生產(chǎn)。