新技术——蓝牙5新特性及应用场景

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摘要

在物联网发展的关键时期，蓝牙5在传输距离、传输速度和广播数据传输量上都有较大的提升，通过对这些特性实现原理的分析，对于不同的物联网应用场景给出了合理的特性组合选择和优化，可以更灵活地构建实用的物联网解决方案，不仅满足工业控制、智能建筑、智能家居和信标等常规物联网应用，而且也为新的物联网市场提供新的发展机遇。

2016年12月8日蓝牙技术联盟SIG正式推出新的核心规范版本“蓝牙5”，主要特性包括4倍的传输距离、2倍的传输速度和8倍的广播数据传输量的提升，这些更新都针对低功耗蓝牙设备，在功耗方面能够更好地满足物联网应用要求,另外也减少与其他无线技术之间的潜在干扰，确保蓝牙设备能够在物联网环境中更好地与其他设备共存。可以看出蓝牙5致力于提升物联网体验，在更广的范围内实现设备之间简单快捷的互动，降低了产品设计的复杂度和成本，对于不同的应用场景有更高的灵活性，加上预计即将发布的蓝牙Mesh组网技术，将在这物联网增长的关键时期激发无限的潜力。

蓝牙5新特性带来了更多样的数据传递方式，提高用户获取信息的体验，更长的传输距离可以实现家居及楼宇整个范围稳健可靠的连接，更快的传输速度可以为设备带来更高的响应能力和性能，而广播数据传输量的提升可以使设备发送更多数据。下面将分析新核心规范是如何来实现这些特性的。

对于低功耗蓝牙设备，在核心规范4.2版本中输出功率范围为-20dBm~+10dBm，而在核心规范5.0版本中规定输出功率范围为-20dBm~+20dBm，可以看出最大输出功率已提高10倍，这样为更高的覆盖范围提供了功率保障，并且也规定了功率等级，如表1所示。

在使用高输出功率值时，应避免在距离较近时发生超过接收机最大输入电平造成连接失败的情况，需建立有效机制管理实现设备之间可以切换输出功率值进行重连和维护连接。

表1 低功耗蓝牙设备功率等级

      低功耗蓝牙也是采用高斯频移键控（GFSK）调制，但调制指数为0.45-0.55，接近于调制指数为0.5的高斯最小频移键控（GMSK），而相比传统蓝牙的调制指数在0.28-0.35之间，这样更有利于降低功耗和提高抗干扰能力。

蓝牙5对于低功耗设备增加了可选的2Mb/s传输速度调制方案，比原1Mb/s传输速度提高了一倍，其是通过提高调制符号速率至2Msym/s来实现的。当使用符号速率1Msym/s时最小频偏为185kHz，在使用符号速率2Msym/s时最小频偏为370kHz，则相应带宽也增加了一倍。

另外蓝牙5也规定了如果低功耗设备发射机支持稳定的调制系数0.495-0.505这一特性，则需要通过特性状态位告知其他低功耗接收设备。支持稳定的调制系数特性非常接近最优的最小频移键控，具有占用带宽小，功率谱效率高，以及较强的抗干扰能力。

如图1所示低功耗蓝牙链路层无编码时的包结构，整个包都使用相同的符号速率进行传输，当使用1Msym/s时前导为1个字节，当使用2Msym/s时前导为2个字节。前导是用于接收时频率同步、符号定时评估和自动增益控制等的训练序列，其组成为0和1交替序列，首位与接入地址第一位数相同。

图1 低功耗蓝牙链路层无编码包结构

    在提升传输距离上，蓝牙5通过新的编码方案来实现，在1Msym/s调制方式下增加可选的1/2编码和1/8编码两种编码方式。在1/2编码方式下，

能够到达提高5dB左右的接收灵敏度， 以及在500kb/s速率下约2倍的传输距离；在1/8编码方式下，能够到达提高12dB左右的接收灵敏度， 以及在125kb/s速率下约4倍的传输距离，如表2和表3所示在最大支持载荷长度所要求的BER下低功耗蓝牙的最小接收机灵敏度。

表2 低功耗蓝牙接收机灵敏度

表3 最大支持载荷长度所要求的BER

在不考虑发射接收系统损耗的情况下，根据全向天线路径损耗 (单位为dB)与传输距离（单位为m）的近似关系Path Loss= 40+25log(d)可以得到如表4所示的换算关系。

表4 路径损耗与传输距离的关系

无编码时低功耗蓝牙规定最小接收机灵敏度为-70dBm，如果以最小输出功率-20dBm发射，则允许的路径损耗为50dB，对应于传输距离为2.5m；以常规输出功率0dBm发射，则允许的路径损耗为70dB，对应于传输距离为16m；以输出功率10dBm发射，则允许的路径损耗为80dB，对应于传输距离为40m；以最大输出功率20dBm发射，则允许的路径损耗为90dB，对应于传输距离为100m。对于低功耗蓝牙设备常见的接收机灵敏度能达到-80dBm左右，则传输距离最大能到250m。

在使用1/2编码时低功耗蓝牙最小接收机灵敏度能达到-75dBm，如果以输出功率10dBm发射，则允许的路径损耗为85dB，对应于传输距离为63m；使用1/8编码时最小接收机灵敏度能达到-82dBm，以输出功率10dBm发射，则允许的路径损耗为92dB，传输距离为120m。因此可以看出在使用编码方案时可以以更小的输出功率达到更大的覆盖范围，在接收机机灵敏度-95dBm时传输距离可以到400m。

如图2所示低功耗蓝牙链路层编码时的包结构，主要由三部分组成，其中前导不编码，使用重复10次的“00111100”序列；编码指示用于确定有效载荷使用的编码方案，终止段1和2分别用于接入报头和有效载荷的传输结束，通过由前向纠错编码器和编码方案映射器生成的3位比特组成，增强数据传输的可靠性。

可以看出虽然使用编码方案可以实现传输距离的提升，但是同时也需要额外开销来增强传输的可靠性，这带来传输速度的降低，因此在使用编码时需要考虑射频开启时间和负载循环对功耗和共存性的影响，在射频环境条件要求比较高的场景才使用编码方案。

图2 低功耗蓝牙链路层编码包结构

低功耗蓝牙使用40个信道，每个信道带宽为2MHz，分为广播信道和数据信道，如表5所示。3个广播信道分散在ISM频段的不同区域，中心频率分别为2402MH、2426MHz和2480MHz，这样有利于不会因其他设备干扰造成无法进行广播，特别是所用中心频率都与Wi-Fi常用信道1、6和11避免冲突。广播信道编号为37-39，这样的编号方式区分广播信道和数据信道简化了跳频算法的实现。

在蓝牙5规定中把广播信道又分为主广播信道和次广播信道两种。主广播信道还是使用原来固定的三个广播信道，可以使用LE 1M或LE编码调制方式，最大有效载荷为37个字节；次广播信道是使用37个数据信道来扩展，最大有效载荷为255个字节，一次完整的广播事件是从主广播信道开始到次广播信道最后一个字节结束，因此说有约8倍广播数据传输量的提升，可以满足多数据广播的场景，同时将需要广播的有效载荷卸载到数据信道上，而保持数据头和开销数据在广播信道，可以更有效减少广播信道上的拥堵。

表5 低功耗蓝牙信道映射表

    综上分析，蓝牙5的这些新特性不是都能够同时满足的，要根据实际应用需求来合理选择，从表6低功耗蓝牙物理层调制及编码方案可以看出，在更高的带宽和更长的传输距离上则无法同时实现，一个在调制方案上更新，一个在编码方案上更新。

表6 低功耗蓝牙物理层调制及编码方案

在工业控制应用场景中，对于功耗和组网能力的要求是比较高的，而设备之间的数据传输量比较少，因此蓝牙低功耗特性及Mesh组网能力能够比较好地切合需求。

在智能建筑应用场景中，需要对整个楼宇建筑进行覆盖，更长的传输距离和更高的输出功率这两个特性可以满足更广的覆盖范围，通过对编码方案和输出功率的合理选择和优化，加上Mesh组网能力可以更好地实现楼宇建筑的智能化。

在智能家居应用场景中，蓝牙5的更新功能有助于减少与其他无线技术的潜在干扰，更好地与其他设备共存使用，进一步提升简单、安全和可靠的设备连接和互动，对于一些智能设备可以使用更快的速度让设备的响应能力更强、性能更出色，提高用户体验。

在Beacon应用场景中，蓝牙5带来的8倍广播数据传输量的提升可以进一步为信标的应用打开无限的空间，使开发人员可以拥有更大的数据量满足更多的应用要求，从而能够提供更完善、更丰富、更多样的商业化解决方案。 

在物联网发展的关键时期，蓝牙5在传输距离、传输速度和广播数据等特性的更新，很好地契合和解决物联网应用发展中的核心需求，可以灵活地通过这些特性组合优化和构建更实用化的物联网解决方案，针对不同的应用场景和产品功能实现所需的服务和性能，不仅满足工业控制、智能建筑、智能家居和信标等常规物联网应用，而且也为新的物联网市场提供新的机遇。

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