沒有一種無線技術能夠適合所有物聯網(IoT)應用。對於短距離、低功耗和低數據速率的應用，最常見的選擇是ZigBee、Z-Wave和藍牙低功耗技術。隨著藍牙技術的改進，無線鏈接將變得更具吸引力，因此在此類物聯網應用中的使用也會增多。
藍牙5.0增加了延長距離和提高數據吞吐量的能力。它將能夠在提高可靠性的同時保持低功耗的網狀網絡。現在來了解一下藍牙5.0中引入的關鍵物理層增強、實際藍牙5.0設備上的射頻測量以及射頻測量技術和挑戰。
更長距離的改進
許多物聯網設備都是由電池供電的。藍牙5.0可以讓大部分的低功耗應用在不增加發射器輸出功率的情況下，達到足夠遠的距離。它是通過為用戶數據定義較低的數據速率來實現這一目的。此外，對這些數據進行編碼將允許在接收器處進行糾錯，從而提供更高的靈敏度和更遠的距離。
藍牙4.0使用1Mbps數據速率，但藍牙5.0提供125kbps 和500kbps的全新數據速率。500kbps使用兩倍編碼增益，用編碼位替換一半用戶數據。使用125kbps時，已發送數據中只有1/8是用戶數據，其餘7/8是編碼位。這種編碼方法與搜索模式相關性的接收器改進功能相配合，能夠提供12dB編碼增益的同等效果，可有效提高接收器的靈敏度，並且理論上最高可將距離延長至四倍。許多物聯網應用只需要極低的數據速率，因此數據速率與範圍的權衡往往是可以接受的。對於不受電池電量限制的應用，藍牙5.0規範還允許更高的發射功率。目前的藍牙4.0規範允許的最大值為+10dBm，而藍牙5.0中的相應值則已增加到+20dBm。
這些距離改進將使藍牙5.0在現有應用中更加可靠，在更長距離的應用中更加合適，例如家庭自動化和安全應用。圖1所示為採用125kbps、500kbps、1Mbps和2Mbps數據速率時藍牙5.0設備的誤包率(PER)曲線，證明了使用較低數據速率可提高接收器靈敏度。
圖 1：BT5 設備上允許的每種數據速率對應的PER曲線曲線顯示，對於最低數據速率(125kbps)，只需最低功率(約-102dBm 或更低)即可保持接近零的PER。在2Mbps時，所需的功率升至約-90dBm。
藍牙5.0並非像WiFi和蜂窩技術一樣針對真正的高數據速率應用而設計，但在某些情況下，需要用到較高的數據速率。除現有的1Mbps數據速率外，藍牙5.0還引入了2Mbps數據速率，適用於無線固件更新等應用。這一較高數據速率是通過增加符號率來實現的。
藍牙使用一個非常簡單的調製方案，每個符號1位。通過將符號率增加到2M個符號/秒，峰值數據速率現在達到2Mbps。使用這種較高的符號率時沒有編碼選項，因此它最適合較短距離和不經常使用的情況(例如軟件更新)。這種較高的符號率會增加頻譜的使用。目前的藍牙4.0使用約1MHz的帶寬，而藍牙5.0中使用2Mbps，該速率使帶寬增加到接近2MHz。藍牙低功耗通道以2MHz增量為間隔，因此，增加後的帶寬仍然適合現有的已定義頻率通道。
圖 2 的右側顯示了來自藍牙5.0設備的2Mbps突發的射頻測量。數據包數據速率和調製頻偏是其處於等效1Mbps測量中時的兩倍。
圖 2：2 Mbps 捕獲和測量的圖形顯示給出了數據通過 BT5 連接傳輸時調製頻偏隨時間的變化
BT5信標的數據包更大
使用藍牙5.0時，信標設備預計將更加普遍。這些信標不僅能夠覆蓋更遠的距離，傳輸的數據量也明顯多於使用藍牙4.0時的情況。在藍牙低功耗技術中，信標使用一種稱為廣播數據包的方法以一致的間隔傳輸短數據突發。使用藍牙4.0時，有三個專用的“廣播通道”，每個通道可以在每個數據包中傳輸最多31個字節的數據。這對於一些應用來說相當有限，而藍牙5.0使用新的廣播方案解決了這個問題。
在藍牙5.0中，設備將繼續在三個專用廣播通道上傳輸，但是這些相對較短的傳輸中的每一個傳輸均變成一個指針，指向所包含數據明顯增多的其他數據通道。想象一下需要在多個物理參數上傳輸數據的醫療設備。您無法在31個字節的數據中獲得太多信息，但使用藍牙5.0中定義的新方法，現在可以傳輸數百個字節的數據，而不需要經歷將兩個設備配對和建立完整連接的複雜過程。
射頻測試
對於射頻測試，藍牙5.0將繼續使用由藍牙特別興趣小組 (SIG) 定義的直接測試模式(DTM)。在DTM下，待測設備通過有線通信方式(如USB或通用異步收發器(UART))進行控制。二進制命令發送到設備以開啟發射器或接收器，具體取決於正在執行哪種類型的射頻測試。通過將擴展引入當前DTM命令，藍牙5.0遵循相同的方法進行操作，因此現在可以指定125kbps、500kbps、1Mbps或2Mbps的數據速率。
上述每種數據速率都採用不同的編碼和調製。採用新的較低數據速率時，設計人員有望看到接收器靈敏度顯著提高，一些先進設備的接收器靈敏度甚至優於-100dBm。這種改善的性能會對設備接收器提出額外的要求，以降低本底噪聲和減輕其他外部源引起的靈敏度劣化。
在發射器端，採用125kbps、500kbps或1Mbps傳輸速度時的物理層差異極小。這些速度使用1M個符號/秒調製，因此物理層上的信號均具有相同的射頻特性。製造商將需要驗證所有不同的速率(作為設計驗證的一部分)，但是在製造過程中，僅以1Mbps和2Mbps的數據速率進行發射器測試便足夠。
為了設置和測量這些新功能，芯片組製造商將實施新的DTM命令。圖 3(由BT SIG提供)給出了現在可實現新數據速率的DTM命令。這些測試對於BT SIG認證必不可少，因此設計人員可以認為所有主要芯片組製造商都將實施新的DTM命令，這有助於簡化工程設計和製造過程中的射頻測試。
網狀網絡
網狀網絡允許設備進行長距離通信，因為網絡中的每個設備都可以充當中繼。ZigBee和Z-Wave均包括網狀網絡，可提高長距離通信的可靠性。舉例來說，假設您想控制一盞安全燈或者讀取一個室外溫度計的讀數，但是因為距離太遠而無法直接通信。而使用藍牙5.0網狀網絡便可以實現，您的手機只需與網絡中最近的設備通信，然後將消息轉發到您嘗試與之通信的設備，也可以從該設備轉發消息。在藍牙技術中實現這一目標的關鍵挑戰將是來自多個供應商的設備的互操作性。如今，許多藍牙應用採用1:1形式，這意味著設備只需要與幾臺先進的智能手機正常配合使用，即可覆蓋大多數用戶應用。藉助旨在用於網狀網絡的藍牙5.0設備，設計人員需要通過幾十個設備來驗證性能，確保在多供應商環境下的可靠性。
藍牙5.0對消費者和物聯網供應商十分有利；預計其在低功耗、低數據速率、短距離應用中的使用將明顯增多。互操作性和參數測試將面臨新的挑戰，但是設備供應商已經在加緊研發，測試解決方案現已能夠輔助早期設計。
閱讀更多 EET電子工程專輯 的文章
