蓝牙5.0/网状网络新标准全面满足IoT应用

快速发展和扩大的物联网市场为装置制造商带来一些巨大的商机。由于各种新应用的出现以及须使用无线连接的装置数量迅速增加，亦使各种无线标准技术联盟忙于开发全新的标准或更新现有的标准，以满足物联网的特定需求。

对于物联网相关应用和装置市场成长的预估众说纷纭，但研究估计，到2025年前，其年复合成长率(CAGR)将可达到约16%。若要实现所有的使用场景，如此广泛的物联网应用将须使用数种无线标准。这反过来也意味着必须充分解决共存问题。而且，对合适网关装置的需求也会明显增加。

根据市占率估计，在2021年前，将有60%的无线装置使用蓝牙，同时，在16%的装置中会采用低功耗蓝牙(BLE)。大部分的成长将出现于智慧家庭、信标、联网家庭和穿戴式装置等应用。据计算机杂志《Datamation》报导，ABI Research预计，2016年至2021年之间，低功耗蓝牙的出货量将达到34%的年复合成长率。如此的成长速度不仅需要极为稳定和可靠的无线标准，同时还需要制造商在其硬件产品中充分地发挥无线标准所允许的可能性，并可提供易于使用且功能强大的软件堆栈。

蓝牙存在将近20年，目前已用于大约82亿部的装置，已充分证明其稳定性和可靠性。为了满足全新物联网环境的要求，蓝牙技术联盟(Bluetooth SIG)于2016年12月宣布推出Bluetooth 5规格。最新的蓝牙标准已对带宽、传输范围、广播和共存等功能达到提升。

2Mbps PHY传输速度翻倍

Bluetooth 5的主要功能之一是全新的2Mbps实体(PHY)。Bluetooth 4.x装置仅支持单一1Mbps PHY速率，但Bluetooth 5装置则能支持1Mbps或2Mbps PHY速率。若将PHY速率加倍，装置可传输的数据量几乎增加一倍(表1)。更快速的PHY的另一个好处，就是传输和接收数据所需的时间缩短，因此平均电流消耗也较低，这是因为装置在低功率睡眠模式中的时间更长。

在提供低功耗的情况下，若吞吐量加倍将可让应用为使用案例提供更快的数据传输，例如空中传输(OTA)韧体升级或传输从传感器收集的数天数据，并可改善医疗装置和安全系统等时间关键应用的延迟和响应能力。

支持2Mbps PHY的Bluetooth 5装置仍可与Bluetooth 4装置完全向后兼容，并将使用1Mbps PHY与不支持新2Mbps PHY的装置进行通讯。第一款支持Bluetooth 5和2Mbps PHY的智能型手机和平板计算机已于2017年上市，且市场上大多数的智能型手机将会在未来两到四年内符合Bluetooth 5规格。

图1所示为在两个EFR32 Blue GeckoSoC之间测量的1Mbps PHY和2Mbps PHY连接之间的平均电流消耗差异。装置使用+8dBm TX功率，25毫秒(ms)连接间隔，且仅传送最短的80微秒(μs)和44微秒封包，节能效果最低。即使如此，2Mbps PHY仍可降低约15%的平均功耗。使用标准长度的蓝牙封包和2M PHY时，应可达到高达40~50%的节能效果。

图1 1Mbps PHY(左)和2Mbps PHY(右)与EFR32BG12 SoC的平均功耗比较

传输范围扩大四倍

Bluetooth 5的低功耗(Low Energy, LE)长距离功能可将传输范围扩大四倍，并提供稳定和可靠的连接。这意味着将可实现整个房屋和建筑物的涵盖范围，以及针对户外、工业和商业应用的全新使用案例。这些都是蓝牙在之前无法处理的问题，或是可处理但仍仅限于有限的传输范围。

Bluetooth 5如何提供四倍的传输范围？接着做说明：

LE编码PHY

除了2M PHY之外，Bluetooth 5还包含两个额外的可选PHY，称为LE编码PHY。LE编码PHY实际上会使用1M PHY速率，但是实际的有效负载是以500kbps(S=2)或125kbps(S=8)速率进行编码，而前序编码和存取地址则使用1M编码。

与1M和2M PHY相较，LE编码PHY所采用的封包格式也略有不同。LE封包中会加入编码指针(CI)和TERM1与TERM2标头(图2)。

图2 Bluetooth 5未编码与编码的PHY封包格式

使用编码的PHY可改善RX灵敏度，这也意味着传输范围的提升。通常，使用500kbps或125kbps PHY可达到4~6dB的RX灵敏度改善，且这通常将会产生二至四倍的传输范围改善。当然，LE编码PHY的缺点是TX和RX时间将会更长，进而导致平均功耗增加。表2是LE编码PHY关键参数的总结。

前向错误修正和模式映像器

LE编码PHY也可改变TX和RX操作的比特流处理，并且在封包传送和接收中增加两个步骤。

首先，LE编码PHY会针对封包应用前向错误修正，使得接收器具有在接收封包时修正位错误的能力，并降低封包错误率。其次，会针对封包应用模式映像器，以提高通讯效率。图3所示为新的比特流PDU处理顺序。

图3 LE编码PHY TX和RX封包处理

如图4所示，FEC区块透过回旋式纠错编码器将每个输入位转换为两个输出位，这意味着在针对封包应用FEC时，所传输的位数将会复制。

图4 FEC编码器

来自回旋式FEC编码器的位会在模式映像器中转换为P符号。P值取决于所选择的编码方案。若S=2，则P值为1，但是若S=8，则FEC编码器的每个位会产生四个输出位(P=4)，如表3所示。

当使用S=2时，无线传输范围大约会增加为二倍，而S=8时，则为四倍。FEC算法所要求的额外位会对有效负载产生负担，这是增加传输范围的缺点。

实际上，若S=2，则没有变化(P=1)，但是从S=8，FEC编码器的每个位均将产生四个输出位(P=4)。现在S=2时，传输范围将大约增加为二倍，而S=4则约为四倍。

缺点是接收器末端的FEC算法会需要额外的数据，这将影响数据的传输量，从而导致数据速率相应地降低。FEC编码器和模式映像器的净效果是在S=2时一位变为两位，而在S=8时则变为8位。

最大发射功率和信道选择算法

Bluetooth 5中的最大发射功率定义为+20dBm，而在Bluetooth 4规格中，此层级定义为+10dBm。当然，将TX功率提高十倍可能会对最大传输范围产生根本的影响。但是，使用+20dBm TX功率并搭配低功耗蓝牙技术却不是容易的做法，因为不同的主管机构不允许高于10dBm的发射功率，这是由于在进行广告推送或连接时，低功耗无线电的蓝牙仅可使用简化的跳频序列和少量的通道。

然而，Bluetooth 5规格在广告推送和信道选择算法方面皆有所强化，使其可使用比Bluetooth 4更多的射频(RF)通道。这些增强功能可允许Bluetooth 5装置未来将可在全球各地使用高于+10dBm的传输功率，从而提升传输范围并建立更强大的连接。

其中一个新功能是信道选择算法#2(CSA#2)，既能提高蓝牙无线电的干扰容限，也可以让无线电限制无线电在高干扰环境中可使用的最小射频通道数量。将通道的最小数量限制为15时，应可将TX功率增加至+10dBm限制以上。

对传输范围的影响

若要粗略估计无线电的传输范围理论值，最简单的方法是使用自由空间损耗公式(公式1)：

......................................................公式1

F是频率(单位为GHz)，D是距离(单位为公里)。然而，此公式并未考虑由多径传播(反射)引起的损耗以及天线损耗，因此通常会导致过于乐观的近似值。

为了得到更逼真的范围近似值，可假设具有天线(位于地面以上的h公尺)的开放场地，并计算考虑天线损耗和地面反射的传输范围。此近似值将可在开放场地(例如机场)中提供非常精确的范围估计。平坦地面损耗可使用公式2计算：

......................................................公式2

其中h1和h2分别是天线的高度，k是自由空间波数，而r是天线之间的距离。自由空间损耗和平坦地面损耗之间的差别如图5所示。

图5 自由空间损耗与平坦地面损耗

为了进一步简化，若距离不超过dm，可采用20dB/十倍频的损耗估计值，若超出此距离，则为40dB/十倍频，因此得到公式3：

.......................公式3

在公式3中，h1和h2是地面上天线的高度。若将天线放置于更高的位置，即可进一步移动距离dm，进而增加传输范围，反之亦然。

在典型的蓝牙应用中，连结远程所在的方向未明确指定，因此天线的增益在估计传输范围时并不相关。天线效率是一个数字，用以说明与馈入天线的RF能量相较，辐射至空中的RF能量的总量。因此，无论装置的位置如何，效率皆能提供较准确的平均传输范围估计值。透过最佳的天线设计，可达到-1dB的天线效率。

实际上，天线效能与印刷电路板(PCB)和天线的机械设计有极大的关联。采用良好天线设计的典型效率为-5dB。实际上，在天线效率不超过-8dB的极小型设计中，天线的实体尺寸和印刷电路板设计的尺寸也会对天线效率有所影响(表4)。

八倍长距离广告推送

信标是小型蓝牙发射器，可将数据传送至范围内的任何其他支持低功耗蓝牙技术的装置，如智能型手机和平板计算机。信标使其可将简讯推送至这些装置，并与其进行简单的通讯。信标目前通常应用于零售业广告、室内定位及资产追踪。信标已迅速成为蓝牙最成功的使用案例之一，且估计将会继续快速成长。分析师预测到2021年前信标出货量将超过五亿个。

Bluetooth 5规格的主要改善之一是蓝牙广告(信标)的运作原理，与旧版规格相较，新规格相包含信标功能的重大更新。这些改善不仅允许开发出更多进阶和智能型的信标，而且还可使用全新的使用案例和应用，如透过蓝牙广告的单向数据串流。以下为蓝牙广告功能最重要变更的简要介绍。

广告推送数据集和扫描请求事件报告

Bluetooth 5广告推送的基本改善之一是广告推送数据集功能，允许单一Bluetooth 5装置以独特的时间间隔和广告数据传送多个个别广告数据集。例如，这可使单一蓝牙信标同时传输苹果(Apple) iBeacon和Google Eddystone信标。

Bluetooth 5兼容广告商现在也可侦测远程装置何时进行扫描要求，并向应用层级报告要求。应用可利用此功能侦测远程装置是否已收到其传送的广告封包之一。这在包括降低功耗等数方面有所帮助，因为广告商将能侦测远程装置已接收到所送的广告封包并可停止广告。

次要广告通道

Bluetooth 4装置使用三个广告信道来推送装置的状态、开启连接或广播数据。单一广告封包中的有效负载限制于三十一个字节。单一128位服务通用唯一标识符(Universally Unique Identifier, UUID)可能会消耗大部分广告有效负载，对于某些应用(如进阶信标)而言，这将会是一个限制。

Bluetooth 5对于此项限制已做出重大的变更。首先，三个广告通道将维持与Bluetooth 4完全相同，以提供向后兼容性和互操作性，但现在称为主要广告通道。除了三个主要广告信道外，Bluetooth 5装置可以使用其余的三十七个数据信道中的任何一个作为次要广告信道来播放更多数据并分担主要信道的负载。表5为Bluetooth 4和Bluetooth 5广告推送通道方案之间的差异总结。

次要广告推送封包

除了新的广告通道外，Bluetooth 5还引入一种名为ADV_EXT_IND的全新广告封包类型。此封包可以在主要广告通道上传送，并指示可透过次要广告提供额外的数据。ADV_EXT_IND封包包含次要广告的相关信息，例如在哪个通道上发生广告、何时发生，以及将使用哪个Bluetooth PHY。

在最简单的使用案例中，AUX_ADV_IND封包在包含附加广告有效负载的次要广告信道上传送(图6)。AUX_ADV_IND封包可包含最多255个字节的有效负载。

若广告商希望传送多于一个AUX_ADV_IND封包可包含的数据，则可使用AUX_CHAIN_IND封包链接多个次要广告(图7)。AUX_CHAIN_IND封包也可包含指向附加AUX_CHAIN_IND封包的指标，以传送超过255个字节的广告有效负载。

图6 使用包含广告推送数据的ADV_EXT_IND PDU和AUX_ADV_IND PDU的广告推送事件

图7 使用AUX_CHAIN_IND提供额外的广告数据

定期广告推送

Bluetooth 5广告能力的另一项改善则称为「定期广告推送」的模式。顾名思义，定期广告推送使广告商能定期地以固定的时间间隔传送变化的广告资料，且有一或多个扫描仪可以接听。使用ADV_EXT_IND封包指示定期广告模式，该封包会指向AUX_ADV_IND封包，其中包含有关定期广告模式的实际信息，如间隔、跳频序列、广告商地址等。广告商亦将以识别的间隔传送包含实际定期广告数据的AUX_SYNC_IND封包(图8)。

图8 定期广告推送

广告商将定期传送新的ADV_EXT_IND封包，以便新的扫描仪可与数据流同步，或现有的扫描仪可继续遗失的同步作业(表6)。

蓝牙5新产品纷纷上市

第一款支持Bluetooth 5的手机和平板计算机已在2017年上市，一般而言，在新蓝牙规格发表后的2至4年内，市场上的大多数手机皆会支持新的标准。在撰写本文时，市场上第一款支持Bluetooth 5规格的手机是三星Galaxy S8，该手机可支持Bluetooth LE 2M PHY。除了Bluetooth 5规格中的勘误表，其余新功能皆是可选功能，建议咨询制造商或了解特定装置支持哪些Bluetooth 5功能。

IoT/智能家居成蓝牙5主战场

Bluetooth 5包含多项改善和新功能，使得在产业开始积极朝向物联网时代发展时，此稳定且成熟的无线标准即已占有先机。Bluetooth 5中引入的改善功能使蓝牙装置在日新月异的智能家庭、医疗、穿戴式装置、汽车、信标、定位和其他许多物联网应用中的使用率日益成长。

芯科科技(Silicon Labs)已陆续推出与Bluetooth 5兼容的EFR32 Blue Gecko系统单芯片(SoC)，以支持Bluetooth LE 2M PHY及更多广告增强功能。最新型EFR32xG13系列产品支持所有Bluetooth 5特性和功能，支持512kB闪存容量及满足更长蓝牙传输距离要求的更高性能PHY。该系列SoC之设计旨在可同时运行蓝牙网状网络和Bluetooth 5协议堆栈，并且支持智能型手机和蓝牙网状网络连接。