2010 年，低功耗藍(lán)牙 （BLE） 被添加到藍(lán)牙規(guī)范中，以實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間的連接，這些設(shè)備只需要在有限的范圍內(nèi)相互發(fā)送幾個字節(jié)的數(shù)據(jù)。與經(jīng)典藍(lán)牙和其他無線技術(shù)相比，它專注于消耗更少的功率。隨著物聯(lián)網(wǎng) （IoT） 從概念過渡到執(zhí)行，BLE 可以在各種應(yīng)用中找到，包括自動化、遠(yuǎn)程控制器、信標(biāo)、無線傳感器節(jié)點(diǎn)等。系統(tǒng)設(shè)計人員意識到他們需要傳輸比舊版本 BLE 規(guī)范支持的數(shù)據(jù)更多的數(shù)據(jù)。此外，更大的范圍將支持自動化、資產(chǎn)跟蹤和無線傳感器節(jié)點(diǎn)等新應(yīng)用。BLE v5.0 試圖解決這些需求以及更多，以使 BLE 對物聯(lián)網(wǎng)更加友好。

BLE v5.0 中引入了幾個關(guān)鍵更新：

2 Mbps 物理層

更長的射程

增加最大允許傳輸 （TX） 功率

廣告附加信息

2 Mbps 物理層

自成立以來，BLE 規(guī)范不斷發(fā)展以提高吞吐量（圖 1）。但是，v5.0 通過添加 2-Mbps PHY 功能實(shí)現(xiàn)了重大更改，而舊版本中的 1-Mbps。

【圖1 | 吞吐量和BLE規(guī)范］

從圖 1 中可以看出，與使用 1-Mbps PHY 的 V4.2 相比，BLE v5.0 中對 2-Mbps PHY 的更改不會轉(zhuǎn)化為 2 倍的吞吐量。要理解這一點(diǎn)，請考慮鏈路層數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)（圖 2）。對于 1-Mbps PHY，前導(dǎo)碼為 1 個字節(jié)，對于 2-Mbps PHY，前導(dǎo)碼為 2 個字節(jié)。因此，當(dāng)通過 2-Mbps PHY 發(fā)送數(shù)據(jù)時，每個數(shù)據(jù)包需要額外發(fā)送 1 個字節(jié)。這意味著每個數(shù)據(jù)包額外增加 4 μs。

【圖2 | 鏈路層數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)］

接下來，讓我們看看 BLE v4.2 和 v5.0 之間的數(shù)據(jù)傳輸差異（圖 3）。從 1-Mbps PHY 到 2-Mbps PHY，幀間間隔 （T_IFS） 保持不變。由于上述額外的 1 字節(jié)要求，前導(dǎo)碼占用相同的時間。基于此，兩者的吞吐量可以計算如下：

BLE v4.2 最大吞吐量 = 251 / （80 + 150 + 2120 + 150） = 803 kbps

BLE v5.0 最大吞吐量 = 251/ （44 + 150 + 1064 + 150） = 1430 kbps

【圖3 | 使用 BLE v4.2 與 BLE v5.0 進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸］

因此，與 1-Mbps PHY 相比，2-Mbps PHY 的吞吐量僅高出 1.8 倍。2 Mbps PHY 僅支持?jǐn)?shù)據(jù)通道，不能被主要廣告通道使用。

使用 2 Mbps PHY 傳輸數(shù)據(jù)的一個關(guān)鍵優(yōu)勢是傳輸數(shù)據(jù)所需的功耗較低。使用 2 Mbps PHY，無線電需要在更短的時間內(nèi)處于活動狀態(tài)，因此消耗的電流更少。該器件還可以在深度睡眠模式下花費(fèi)更多時間（每 251 字節(jié)數(shù)據(jù)傳輸大約 1092 μs），從而進(jìn)一步降低平均功耗。

將受益于 2-Mbps PHY 的一些應(yīng)用包括可穿戴設(shè)備和遙控器。更快的吞吐量還將支持無線 （OTA） 升級。升級是許多 IoT 應(yīng)用程序中的一項(xiàng)重要功能，可讓產(chǎn)品保持最新狀態(tài)，同時仍保持成功商業(yè)產(chǎn)品的上市時間要求。

更長的射程

有限范圍是各種應(yīng)用的瓶頸，例如工業(yè)自動化、家庭自動化和開放環(huán)境中的資產(chǎn)跟蹤（例如，田野中的牛）。對更遠(yuǎn)距離的支持將在一定程度上幫助解決瓶頸問題。與 BLE v4.2 相比，BLE v5.0 將范圍擴(kuò)大了 4 倍。BLE v5.0 使用前向糾錯 （FEC） 來檢測和修復(fù)通信中的錯誤。FEC 使用冗余位對數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，允許檢測和重建丟失的位，但反過來，根據(jù)編碼方案將數(shù)據(jù)速率降低到 125 kbps 或 500 kbps。此外，1-Mbps PHY 用于編碼 PHY，而不是只能用于未編碼 PHY 的 2-Mbps。圖 4 顯示了編碼 PHY 的配電單元 （PDU） 結(jié)構(gòu)。以綠色突出顯示的字段是 v5.0 為遠(yuǎn)程引入的新字段。

【圖4 | 未編碼和編碼PHY的鏈路層數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)］

在 BLE v5.0 中實(shí)現(xiàn)長距離的方式引入了早期版本不存在的挑戰(zhàn)。表 1 顯示了兩種編碼方案的未編碼 PHY 和編碼 PHY 所用時間的比較。

［表 1 | 未編碼和編碼PHY之間的性能比較］

從表 1 中可以看出，與使用 BLE v5.0 傳輸 251 字節(jié)數(shù)據(jù)的未編碼 PHY 相比，以 4X 范圍 （S=8） 傳輸所需的時間大約是 13 倍。當(dāng)使用 S=2 編碼時，傳輸 251 個字節(jié)需要大約 4X 時間。這意味著 4X 和 2X 范圍的無線電功耗分別約為 13X 和 4X。盡管在此實(shí)現(xiàn)中峰值功耗沒有增加，但無線電功耗的這種巨大增加使其不適合電池供電的應(yīng)用。

另一個權(quán)衡是，更長的傳輸會在已經(jīng)很繁忙的 2.4 GHz 頻譜中消耗更多的帶寬。當(dāng)多個藍(lán)牙設(shè)備和其他基于 2.4 GHz 無線技術(shù)的設(shè)備在同一附近運(yùn)行時，這增加了實(shí)現(xiàn)共存的難度。因此，對于許多應(yīng)用來說，使用外部功率放大器在藍(lán)牙規(guī)范和國家特定法規(guī)規(guī)定的限制范圍內(nèi)增加增益將比使用更長的范圍（即，更短的頻譜時間和更低的平均功率）產(chǎn)生更有效的操作消耗）。當(dāng)然，外部功率放大器需要額外付費(fèi)。然而，由于使用外部 PA 與使用編碼 PHY 相比，平均功耗顯著降低，

增加最大允許的 TX 功率

BLE v5.0 支持 20 dBm 的最大低能量 TX 功率，比之前的規(guī)范增加了 10 dBm。如果 PA 的增加成本不是問題，那么這是增加設(shè)備范圍的最佳選擇，而不是使用編碼 PHY。然而，如前所述，與使用編碼 PHY 來增加范圍相比，使用外部 PA 會降低平均功耗，從而降低運(yùn)營成本。但是，如果設(shè)備太靠近，更高的 TX 功率可能會使其他設(shè)備的 RX 飽和。因此，如果設(shè)備之間相隔合理的距離，例如在田野中跟蹤牛或在開闊區(qū)域部署無線傳感器節(jié)點(diǎn)時，此功能將非常有用。請務(wù)必牢記設(shè)備運(yùn)行所在國家/地區(qū)的監(jiān)管要求。即使 v5.0 規(guī)范允許 TX 功率為 20 dBm，

廣告附加信息

BLE v5.0 中的廣告功能新增了兩個關(guān)鍵功能。首先是負(fù)載大小的增加，從 31 字節(jié)增加到 251 字節(jié)。這允許在更少的數(shù)據(jù)包中廣播更大的有效載荷，因此在功耗方面更有效。但是，此功能可能僅限于特定應(yīng)用程序，例如使用信標(biāo)在購物中心的廣告包中發(fā)送 URL。因此，短期內(nèi)該功能可能無法在大多數(shù)設(shè)備中實(shí)現(xiàn)。

第二個增加是使用數(shù)據(jù)通道進(jìn)行廣播的能力。這些渠道稱為輔助廣告渠道，而專用廣告渠道稱為主要廣告渠道。為了支持這個特性，v5.0 支持一個新的 Adv PDU，ADV_EXT_IND，它告訴數(shù)據(jù)通道上是否有任何數(shù)據(jù)包。舊設(shè)備（v4.2 和更早版本）會忽略此 PDU 類型。如果設(shè)備希望將數(shù)據(jù)廣播到基于舊版本以及 v5.0 的設(shè)備，則需要廣播兩次數(shù)據(jù)——首先使用主通道，然后使用數(shù)據(jù)通道。這有效地否定了此功能的目的。唯一實(shí)際的用例是觀察者也支持 BLE v5.0。這對于觀察者是未知設(shè)備（如手機(jī)）的應(yīng)用程序可能不實(shí)用。

藍(lán)牙 v5.0 規(guī)范已嘗試解決低能耗連接中的各種問題，例如低吞吐量、短距離和有限的廣告功能。與 v4.2 相比，2 Mbps PHY 的引入通過將吞吐量提高 1.8 倍和與 v4.1 相比提高約 6 倍，解決了低吞吐量問題。遠(yuǎn)程和廣告擴(kuò)展功能確實(shí)在一定程度上解決了問題，但由于各種限制和副作用，對于許多應(yīng)用程序可能并不實(shí)用。TX 功率的增加可以幫助應(yīng)用以稍微更高的峰值功率擴(kuò)大范圍，但代價是增加一個功率放大器。盡管如此，這仍將保持較低的運(yùn)營成本并簡化共存。

審核編輯：郭婷