BLE v5.0对您意味着什么

2010 年，低功耗蓝牙 （BLE） 被添加到蓝牙规范中，以实现设备之间的连接，这些设备只需要在有限的范围内相互发送几个字节的数据。与经典蓝牙和其他无线技术相比，它专注于消耗更少的功率。随着物联网 （IoT） 从概念过渡到执行，BLE 可以在各种应用中找到，包括自动化、远程控制器、信标、无线传感器节点等。系统设计人员意识到他们需要传输比旧版本 BLE 规范支持的数据更多的数据。此外，更大的范围将支持自动化、资产跟踪和无线传感器节点等新应用。BLE v5.0 试图解决这些需求以及更多，以使 BLE 对物联网更加友好。

BLE v5.0 中引入了几个关键更新：

2 Mbps 物理层

更长的射程

增加最大允许传输 （TX） 功率

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2 Mbps 物理层

自成立以来，BLE 规范不断发展以提高吞吐量（图 1）。但是，v5.0 通过添加 2-Mbps PHY 功能实现了重大更改，而旧版本中的 1-Mbps。

【图1 | 吞吐量和BLE规范］

从图 1 中可以看出，与使用 1-Mbps PHY 的 V4.2 相比，BLE v5.0 中对 2-Mbps PHY 的更改不会转化为 2 倍的吞吐量。要理解这一点，请考虑链路层数据包结构（图 2）。对于 1-Mbps PHY，前导码为 1 个字节，对于 2-Mbps PHY，前导码为 2 个字节。因此，当通过 2-Mbps PHY 发送数据时，每个数据包需要额外发送 1 个字节。这意味着每个数据包额外增加 4 μs。

【图2 | 链路层数据包结构］

接下来，让我们看看 BLE v4.2 和 v5.0 之间的数据传输差异（图 3）。从 1-Mbps PHY 到 2-Mbps PHY，帧间间隔 （T_IFS） 保持不变。由于上述额外的 1 字节要求，前导码占用相同的时间。基于此，两者的吞吐量可以计算如下：

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

【图3 | 使用 BLE v4.2 与 BLE v5.0 进行数据传输］

因此，与 1-Mbps PHY 相比，2-Mbps PHY 的吞吐量仅高出 1.8 倍。2 Mbps PHY 仅支持数据通道，不能被主要广告通道使用。

使用 2 Mbps PHY 传输数据的一个关键优势是传输数据所需的功耗较低。使用 2 Mbps PHY，无线电需要在更短的时间内处于活动状态，因此消耗的电流更少。该器件还可以在深度睡眠模式下花费更多时间（每 251 字节数据传输大约 1092 μs），从而进一步降低平均功耗。

将受益于 2-Mbps PHY 的一些应用包括可穿戴设备和遥控器。更快的吞吐量还将支持无线 （OTA） 升级。升级是许多 IoT 应用程序中的一项重要功能，可让产品保持最新状态，同时仍保持成功商业产品的上市时间要求。

更长的射程

有限范围是各种应用的瓶颈，例如工业自动化、家庭自动化和开放环境中的资产跟踪（例如，田野中的牛）。对更远距离的支持将在一定程度上帮助解决瓶颈问题。与 BLE v4.2 相比，BLE v5.0 将范围扩大了 4 倍。BLE v5.0 使用前向纠错 （FEC） 来检测和修复通信中的错误。FEC 使用冗余位对数据进行编码，允许检测和重建丢失的位，但反过来，根据编码方案将数据速率降低到 125 kbps 或 500 kbps。此外，1-Mbps PHY 用于编码 PHY，而不是只能用于未编码 PHY 的 2-Mbps。图 4 显示了编码 PHY 的配电单元 （PDU） 结构。以绿色突出显示的字段是 v5.0 为远程引入的新字段。

【图4 | 未编码和编码PHY的链路层数据包结构］

在 BLE v5.0 中实现长距离的方式引入了早期版本不存在的挑战。表 1 显示了两种编码方案的未编码 PHY 和编码 PHY 所用时间的比较。

［表 1 | 未编码和编码PHY之间的性能比较］

从表 1 中可以看出，与使用 BLE v5.0 传输 251 字节数据的未编码 PHY 相比，以 4X 范围 （S=8） 传输所需的时间大约是 13 倍。当使用 S=2 编码时，传输 251 个字节需要大约 4X 时间。这意味着 4X 和 2X 范围的无线电功耗分别约为 13X 和 4X。尽管在此实现中峰值功耗没有增加，但无线电功耗的这种巨大增加使其不适合电池供电的应用。

另一个权衡是，更长的传输会在已经很繁忙的 2.4 GHz 频谱中消耗更多的带宽。当多个蓝牙设备和其他基于 2.4 GHz 无线技术的设备在同一附近运行时，这增加了实现共存的难度。因此，对于许多应用来说，使用外部功率放大器在蓝牙规范和国家特定法规规定的限制范围内增加增益将比使用更长的范围（即，更短的频谱时间和更低的平均功率）产生更有效的操作消耗）。当然，外部功率放大器需要额外付费。然而，由于使用外部 PA 与使用编码 PHY 相比，平均功耗显着降低，

增加最大允许的 TX 功率

BLE v5.0 支持 20 dBm 的最大低能量 TX 功率，比之前的规范增加了 10 dBm。如果 PA 的增加成本不是问题，那么这是增加设备范围的最佳选择，而不是使用编码 PHY。然而，如前所述，与使用编码 PHY 来增加范围相比，使用外部 PA 会降低平均功耗，从而降低运营成本。但是，如果设备太靠近，更高的 TX 功率可能会使其他设备的 RX 饱和。因此，如果设备之间相隔合理的距离，例如在田野中跟踪牛或在开阔区域部署无线传感器节点时，此功能将非常有用。请务必牢记设备运行所在国家/地区的监管要求。即使 v5.0 规范允许 TX 功率为 20 dBm，

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BLE v5.0 中的广告功能新增了两个关键功能。首先是负载大小的增加，从 31 字节增加到 251 字节。这允许在更少的数据包中广播更大的有效载荷，因此在功耗方面更有效。但是，此功能可能仅限于特定应用程序，例如使用信标在购物中心的广告包中发送 URL。因此，短期内该功能可能无法在大多数设备中实现。

第二个增加是使用数据通道进行广播的能力。这些渠道称为辅助广告渠道，而专用广告渠道称为主要广告渠道。为了支持这个特性，v5.0 支持一个新的 Adv PDU，ADV_EXT_IND，它告诉数据通道上是否有任何数据包。旧设备（v4.2 和更早版本）会忽略此 PDU 类型。如果设备希望将数据广播到基于旧版本以及 v5.0 的设备，则需要广播两次数据——首先使用主通道，然后使用数据通道。这有效地否定了此功能的目的。唯一实际的用例是观察者也支持 BLE v5.0。这对于观察者是未知设备（如手机）的应用程序可能不实用。

蓝牙 v5.0 规范已尝试解决低能耗连接中的各种问题，例如低吞吐量、短距离和有限的广告功能。与 v4.2 相比，2 Mbps PHY 的引入通过将吞吐量提高 1.8 倍和与 v4.1 相比提高约 6 倍，解决了低吞吐量问题。远程和广告扩展功能确实在一定程度上解决了问题，但由于各种限制和副作用，对于许多应用程序可能并不实用。TX 功率的增加可以帮助应用以稍微更高的峰值功率扩大范围，但代价是增加一个功率放大器。尽管如此，这仍将保持较低的运营成本并简化共存。

审核编辑：郭婷