快速發(fā)展和擴(kuò)大的物聯(lián)網(wǎng)市場為裝置制造商帶來一些巨大的商機(jī)。由于各種新應(yīng)用的出現(xiàn)以及須使用無線連接的裝置數(shù)量迅速增加，亦使各種無線標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)聯(lián)盟忙于開發(fā)全新的標(biāo)準(zhǔn)或更新現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)，以滿足物聯(lián)網(wǎng)的特定需求。

對于物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)應(yīng)用和裝置市場成長的預(yù)估眾說紛紜，但研究估計，到2025年前，其年復(fù)合成長率(CAGR)將可達(dá)到約16%。若要實現(xiàn)所有的使用場景，如此廣泛的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用將須使用數(shù)種無線標(biāo)準(zhǔn)。這反過來也意味著必須充分解決共存問題。而且，對合適網(wǎng)關(guān)裝置的需求也會明顯增加。

根據(jù)市占率估計，在2021年前，將有60%的無線裝置使用藍(lán)牙，同時，在16%的裝置中會采用低功耗藍(lán)牙(BLE)。大部分的成長將出現(xiàn)于智慧家庭、信標(biāo)、聯(lián)網(wǎng)家庭和穿戴式裝置等應(yīng)用。據(jù)計算機(jī)雜志《Datamation》報導(dǎo)，ABI Research預(yù)計，2016年至2021年之間，低功耗藍(lán)牙的出貨量將達(dá)到34%的年復(fù)合成長率。如此的成長速度不僅需要極為穩(wěn)定和可靠的無線標(biāo)準(zhǔn)，同時還需要制造商在其硬件產(chǎn)品中充分地發(fā)揮無線標(biāo)準(zhǔn)所允許的可能性，并可提供易于使用且功能強(qiáng)大的軟件堆棧。

藍(lán)牙存在將近20年，目前已用于大約82億部的裝置，已充分證明其穩(wěn)定性和可靠性。為了滿足全新物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境的要求，藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟(Bluetooth SIG)于2016年12月宣布推出Bluetooth 5規(guī)格。最新的藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)已對帶寬、傳輸范圍、廣播和共存等功能達(dá)到提升。

2Mbps PHY傳輸速度翻倍

Bluetooth 5的主要功能之一是全新的2Mbps實體(PHY)。Bluetooth 4.x裝置僅支持單一1Mbps PHY速率，但Bluetooth 5裝置則能支持1Mbps或2Mbps PHY速率。若將PHY速率加倍，裝置可傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量幾乎增加一倍(表1)。更快速的PHY的另一個好處，就是傳輸和接收數(shù)據(jù)所需的時間縮短，因此平均電流消耗也較低，這是因為裝置在低功率睡眠模式中的時間更長。

在提供低功耗的情況下，若吞吐量加倍將可讓應(yīng)用為使用案例提供更快的數(shù)據(jù)傳輸，例如空中傳輸(OTA)韌體升級或傳輸從傳感器收集的數(shù)天數(shù)據(jù)，并可改善醫(yī)療裝置和安全系統(tǒng)等時間關(guān)鍵應(yīng)用的延遲和響應(yīng)能力。

支持2Mbps PHY的Bluetooth 5裝置仍可與Bluetooth 4裝置完全向后兼容，并將使用1Mbps PHY與不支持新2Mbps PHY的裝置進(jìn)行通訊。第一款支持Bluetooth 5和2Mbps PHY的智能型手機(jī)和平板計算機(jī)已于2017年上市，且市場上大多數(shù)的智能型手機(jī)將會在未來兩到四年內(nèi)符合Bluetooth 5規(guī)格。

圖1所示為在兩個EFR32 Blue GeckoSoC之間測量的1Mbps PHY和2Mbps PHY連接之間的平均電流消耗差異。裝置使用+8dBm TX功率，25毫秒(ms)連接間隔，且僅傳送最短的80微秒(μs)和44微秒封包，節(jié)能效果最低。即使如此，2Mbps PHY仍可降低約15%的平均功耗。使用標(biāo)準(zhǔn)長度的藍(lán)牙封包和2M PHY時，應(yīng)可達(dá)到高達(dá)40~50%的節(jié)能效果。

圖1 1Mbps PHY(左)和2Mbps PHY(右)與EFR32BG12 SoC的平均功耗比較

傳輸范圍擴(kuò)大四倍

Bluetooth 5的低功耗(Low Energy, LE)長距離功能可將傳輸范圍擴(kuò)大四倍，并提供穩(wěn)定和可靠的連接。這意味著將可實現(xiàn)整個房屋和建筑物的涵蓋范圍，以及針對戶外、工業(yè)和商業(yè)應(yīng)用的全新使用案例。這些都是藍(lán)牙在之前無法處理的問題，或是可處理但仍僅限于有限的傳輸范圍。

Bluetooth 5如何提供四倍的傳輸范圍？接著做說明：

LE編碼PHY

除了2M PHY之外，Bluetooth 5還包含兩個額外的可選PHY，稱為LE編碼PHY。LE編碼PHY實際上會使用1M PHY速率，但是實際的有效負(fù)載是以500kbps(S=2)或125kbps(S=8)速率進(jìn)行編碼，而前序編碼和存取地址則使用1M編碼。

與1M和2M PHY相較，LE編碼PHY所采用的封包格式也略有不同。LE封包中會加入編碼指針(CI)和TERM1與TERM2標(biāo)頭(圖2)。

使用編碼的PHY可改善RX靈敏度，這也意味著傳輸范圍的提升。通常，使用500kbps或125kbps PHY可達(dá)到4~6dB的RX靈敏度改善，且這通常將會產(chǎn)生二至四倍的傳輸范圍改善。當(dāng)然，LE編碼PHY的缺點是TX和RX時間將會更長，進(jìn)而導(dǎo)致平均功耗增加。表2是LE編碼PHY關(guān)鍵參數(shù)的總結(jié)。

前向錯誤修正和模式映像器

LE編碼PHY也可改變TX和RX操作的比特流處理，并且在封包傳送和接收中增加兩個步驟。

首先，LE編碼PHY會針對封包應(yīng)用前向錯誤修正，使得接收器具有在接收封包時修正位錯誤的能力，并降低封包錯誤率。其次，會針對封包應(yīng)用模式映像器，以提高通訊效率。圖3所示為新的比特流PDU處理順序。

如圖4所示，FEC區(qū)塊透過回旋式糾錯編碼器將每個輸入位轉(zhuǎn)換為兩個輸出位，這意味著在針對封包應(yīng)用FEC時，所傳輸?shù)奈粩?shù)將會復(fù)制。

來自回旋式FEC編碼器的位會在模式映像器中轉(zhuǎn)換為P符號。P值取決于所選擇的編碼方案。若S=2，則P值為1，但是若S=8，則FEC編碼器的每個位會產(chǎn)生四個輸出位(P=4)，如表3所示。

當(dāng)使用S=2時，無線傳輸范圍大約會增加為二倍，而S=8時，則為四倍。FEC算法所要求的額外位會對有效負(fù)載產(chǎn)生負(fù)擔(dān)，這是增加傳輸范圍的缺點。

實際上，若S=2，則沒有變化(P=1)，但是從S=8，FEC編碼器的每個位均將產(chǎn)生四個輸出位(P=4)。現(xiàn)在S=2時，傳輸范圍將大約增加為二倍，而S=4則約為四倍。

缺點是接收器末端的FEC算法會需要額外的數(shù)據(jù)，這將影響數(shù)據(jù)的傳輸量，從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)速率相應(yīng)地降低。FEC編碼器和模式映像器的凈效果是在S=2時一位變?yōu)閮晌?，而?/span>S=8時則變?yōu)?/span>8位。

最大發(fā)射功率和信道選擇算法

Bluetooth 5中的最大發(fā)射功率定義為+20dBm，而在Bluetooth 4規(guī)格中，此層級定義為+10dBm。當(dāng)然，將TX功率提高十倍可能會對最大傳輸范圍產(chǎn)生根本的影響。但是，使用+20dBm TX功率并搭配低功耗藍(lán)牙技術(shù)卻不是容易的做法，因為不同的主管機(jī)構(gòu)不允許高于10dBm的發(fā)射功率，這是由于在進(jìn)行廣告推送或連接時，低功耗無線電的藍(lán)牙僅可使用簡化的跳頻序列和少量的通道。

然而，Bluetooth 5規(guī)格在廣告推送和信道選擇算法方面皆有所強(qiáng)化，使其可使用比Bluetooth 4更多的射頻(RF)通道。這些增強(qiáng)功能可允許Bluetooth 5裝置未來將可在全球各地使用高于+10dBm的傳輸功率，從而提升傳輸范圍并建立更強(qiáng)大的連接。

其中一個新功能是信道選擇算法#2(CSA#2)，既能提高藍(lán)牙無線電的干擾容限，也可以讓無線電限制無線電在高干擾環(huán)境中可使用的最小射頻通道數(shù)量。將通道的最小數(shù)量限制為15時，應(yīng)可將TX功率增加至+10dBm限制以上。

對傳輸范圍的影響

若要粗略估計無線電的傳輸范圍理論值，最簡單的方法是使用自由空間損耗公式(公式1)：

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

F是頻率(單位為GHz)，D是距離(單位為公里)。然而，此公式并未考慮由多徑傳播(反射)引起的損耗以及天線損耗，因此通常會導(dǎo)致過于樂觀的近似值。

為了得到更逼真的范圍近似值，可假設(shè)具有天線(位于地面以上的h公尺)的開放場地，并計算考慮天線損耗和地面反射的傳輸范圍。此近似值將可在開放場地(例如機(jī)場)中提供非常精確的范圍估計。平坦地面損耗可使用公式2計算：

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

其中h1和h2分別是天線的高度，k是自由空間波數(shù)，而r是天線之間的距離。自由空間損耗和平坦地面損耗之間的差別如圖5所示。

為了進(jìn)一步簡化，若距離不超過dm，可采用20dB/十倍頻的損耗估計值，若超出此距離，則為40dB/十倍頻，因此得到公式3：

.......................公式3

在公式3中，h1和h2是地面上天線的高度。若將天線放置于更高的位置，即可進(jìn)一步移動距離dm，進(jìn)而增加傳輸范圍，反之亦然。

在典型的藍(lán)牙應(yīng)用中，連結(jié)遠(yuǎn)程所在的方向未明確指定，因此天線的增益在估計傳輸范圍時并不相關(guān)。天線效率是一個數(shù)字，用以說明與饋入天線的RF能量相較，輻射至空中的RF能量的總量。因此，無論裝置的位置如何，效率皆能提供較準(zhǔn)確的平均傳輸范圍估計值。透過最佳的天線設(shè)計，可達(dá)到-1dB的天線效率。

實際上，天線效能與印刷電路板(PCB)和天線的機(jī)械設(shè)計有極大的關(guān)聯(lián)。采用良好天線設(shè)計的典型效率為-5dB。實際上，在天線效率不超過-8dB的極小型設(shè)計中，天線的實體尺寸和印刷電路板設(shè)計的尺寸也會對天線效率有所影響(表4)。

八倍長距離廣告推送

信標(biāo)是小型藍(lán)牙發(fā)射器，可將數(shù)據(jù)傳送至范圍內(nèi)的任何其他支持低功耗藍(lán)牙技術(shù)的裝置，如智能型手機(jī)和平板計算機(jī)。信標(biāo)使其可將簡訊推送至這些裝置，并與其進(jìn)行簡單的通訊。信標(biāo)目前通常應(yīng)用于零售業(yè)廣告、室內(nèi)定位及資產(chǎn)追蹤。信標(biāo)已迅速成為藍(lán)牙最成功的使用案例之一，且估計將會繼續(xù)快速成長。分析師預(yù)測到2021年前信標(biāo)出貨量將超過五億個。

Bluetooth 5規(guī)格的主要改善之一是藍(lán)牙廣告(信標(biāo))的運作原理，與舊版規(guī)格相較，新規(guī)格相包含信標(biāo)功能的重大更新。這些改善不僅允許開發(fā)出更多進(jìn)階和智能型的信標(biāo)，而且還可使用全新的使用案例和應(yīng)用，如透過藍(lán)牙廣告的單向數(shù)據(jù)串流。以下為藍(lán)牙廣告功能最重要變更的簡要介紹。

廣告推送數(shù)據(jù)集和掃描請求事件報告

Bluetooth 5廣告推送的基本改善之一是廣告推送數(shù)據(jù)集功能，允許單一Bluetooth 5裝置以獨特的時間間隔和廣告數(shù)據(jù)傳送多個個別廣告數(shù)據(jù)集。例如，這可使單一藍(lán)牙信標(biāo)同時傳輸蘋果(Apple) iBeacon和Google Eddystone信標(biāo)。

Bluetooth 5兼容廣告商現(xiàn)在也可偵測遠(yuǎn)程裝置何時進(jìn)行掃描要求，并向應(yīng)用層級報告要求。應(yīng)用可利用此功能偵測遠(yuǎn)程裝置是否已收到其傳送的廣告封包之一。這在包括降低功耗等數(shù)方面有所幫助，因為廣告商將能偵測遠(yuǎn)程裝置已接收到所送的廣告封包并可停止廣告。

次要廣告通道

Bluetooth 4裝置使用三個廣告信道來推送裝置的狀態(tài)、開啟連接或廣播數(shù)據(jù)。單一廣告封包中的有效負(fù)載限制于三十一個字節(jié)。單一128位服務(wù)通用唯一標(biāo)識符(Universally Unique Identifier, UUID)可能會消耗大部分廣告有效負(fù)載，對于某些應(yīng)用(如進(jìn)階信標(biāo))而言，這將會是一個限制。

Bluetooth 5對于此項限制已做出重大的變更。首先，三個廣告通道將維持與Bluetooth 4完全相同，以提供向后兼容性和互操作性，但現(xiàn)在稱為主要廣告通道。除了三個主要廣告信道外，Bluetooth 5裝置可以使用其余的三十七個數(shù)據(jù)信道中的任何一個作為次要廣告信道來播放更多數(shù)據(jù)并分擔(dān)主要信道的負(fù)載。表5為Bluetooth 4和Bluetooth 5廣告推送通道方案之間的差異總結(jié)。

次要廣告推送封包

除了新的廣告通道外，Bluetooth 5還引入一種名為ADV_EXT_IND的全新廣告封包類型。此封包可以在主要廣告通道上傳送，并指示可透過次要廣告提供額外的數(shù)據(jù)。ADV_EXT_IND封包包含次要廣告的相關(guān)信息，例如在哪個通道上發(fā)生廣告、何時發(fā)生，以及將使用哪個Bluetooth PHY。

在最簡單的使用案例中，AUX_ADV_IND封包在包含附加廣告有效負(fù)載的次要廣告信道上傳送(圖6)。AUX_ADV_IND封包可包含最多255個字節(jié)的有效負(fù)載。

若廣告商希望傳送多于一個AUX_ADV_IND封包可包含的數(shù)據(jù)，則可使用AUX_CHAIN_IND封包鏈接多個次要廣告(圖7)。AUX_CHAIN_IND封包也可包含指向附加AUX_CHAIN_IND封包的指標(biāo)，以傳送超過255個字節(jié)的廣告有效負(fù)載。

圖6 使用包含廣告推送數(shù)據(jù)的ADV_EXT_IND PDU和AUX_ADV_IND PDU的廣告推送事件

定期廣告推送

Bluetooth 5廣告能力的另一項改善則稱為「定期廣告推送」的模式。顧名思義，定期廣告推送使廣告商能定期地以固定的時間間隔傳送變化的廣告資料，且有一或多個掃描儀可以接聽。使用ADV_EXT_IND封包指示定期廣告模式，該封包會指向AUX_ADV_IND封包，其中包含有關(guān)定期廣告模式的實際信息，如間隔、跳頻序列、廣告商地址等。廣告商亦將以識別的間隔傳送包含實際定期廣告數(shù)據(jù)的AUX_SYNC_IND封包(圖8)。

廣告商將定期傳送新的ADV_EXT_IND封包，以便新的掃描儀可與數(shù)據(jù)流同步，或現(xiàn)有的掃描儀可繼續(xù)遺失的同步作業(yè)(表6)。

藍(lán)牙5新產(chǎn)品紛紛上市

第一款支持Bluetooth 5的手機(jī)和平板計算機(jī)已在2017年上市，一般而言，在新藍(lán)牙規(guī)格發(fā)表后的2至4年內(nèi)，市場上的大多數(shù)手機(jī)皆會支持新的標(biāo)準(zhǔn)。在撰寫本文時，市場上第一款支持Bluetooth 5規(guī)格的手機(jī)是三星Galaxy S8，該手機(jī)可支持Bluetooth LE 2M PHY。除了Bluetooth 5規(guī)格中的勘誤表，其余新功能皆是可選功能，建議咨詢制造商或了解特定裝置支持哪些Bluetooth 5功能。

IoT/智能家居成藍(lán)牙5主戰(zhàn)場

Bluetooth 5包含多項改善和新功能，使得在產(chǎn)業(yè)開始積極朝向物聯(lián)網(wǎng)時代發(fā)展時，此穩(wěn)定且成熟的無線標(biāo)準(zhǔn)即已占有先機(jī)。Bluetooth 5中引入的改善功能使藍(lán)牙裝置在日新月異的智能家庭、醫(yī)療、穿戴式裝置、汽車、信標(biāo)、定位和其他許多物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中的使用率日益成長。

芯科科技(Silicon Labs)已陸續(xù)推出與Bluetooth 5兼容的EFR32 Blue Gecko系統(tǒng)單芯片(SoC)，以支持Bluetooth LE 2M PHY及更多廣告增強(qiáng)功能。最新型EFR32xG13系列產(chǎn)品支持所有Bluetooth 5特性和功能，支持512kB閃存容量及滿足更長藍(lán)牙傳輸距離要求的更高性能PHY。該系列SoC之設(shè)計旨在可同時運行藍(lán)牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)和Bluetooth 5協(xié)議堆棧，并且支持智能型手機(jī)和藍(lán)牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)連接。