低功耗蓝牙(BLE)PHY无线通信协议的关键技术

在本文中，我们将探讨各种低功耗蓝牙 (BLE) PHY 无线模式。然而，在深入探讨之前，让我们首先对物理层或 PHY 层以及该协议层中涉及的内容进行基本讨论。

BLE PHY 层背后的基础知识

PHY 层是BLE 等无线通信协议的关键部分（图 1）。

图 1.显示 PHY 层布局的示例协议栈。图片由Microchip提供

对于蓝牙设备，这一层主要涉及 LE 无线发射器和接收器如何使用无线信号发送和接收数字数据。一般来说，PHY 层设置重要的规则和属性，以确保设备可以有效地通信。它涵盖的一些主要方面包括：

频段

高斯频移键控 (GFSK) 调制方案

传输速度

Power

接收灵敏度

时间划分

考虑到这些方面，我们来看看第一个方面：频段。

BLE 频段

蓝牙LE通信在全球未授权的2.4 GHz ISM(工业、科学和医疗)频段内进行。这个频带被分成40个通道，每个通道 2 MHz 宽（图 2）。

图 2.蓝牙 LR 通信的频谱。图片由Microchip提供   此外，其中 37 个通道专用于数据传输和辅助广播，而其余 3 个用作主要广播通道，用于发现和发起设备之间的连接。

BLE调制方案—GFSK

所有 LE 无线发射器和接收器均使用 GFSK 调制方法通过无线信号发送和接收数据。一般来说，GFSK 通过根据传输的数字信息改变载波无线电信号频率来对数据进行编码。载波是具有特定频率的连续无线电信号，作为传输信息的基础。  所有LE无线电发射机和接收机都使用GFSK调制方法通过无线电信号发送和接收数据。一般来说，GFSK通过根据传输的数字信息改变载波无线电信号频率来对数据进行编码。载体是具有特定频率的连续无线电信号，作为传输信息的基础。 当需要发送数字“1”时，提高载波频率，当需要发送数字“0”时，降低频率。这些频率的变化称为频率偏差。在蓝牙 LE 中，该频移通常约为 ±185 kHz。 现在，我们来谈谈 GFSK 的高斯方面。当我们说“高斯”时，我们指的是高斯滤波器，它用于在编码过程中整形和平滑频率的变化。如果没有高斯滤波，频移将会突然发生，从而使信号更难以准确传输和解码。高斯滤波器可以平滑这些突然的频率转变。更平滑的频率转换可减少信号失真，使通信更加可靠，并有助于节省能源——这些都是设备之间低功耗无线通信的关键因素。

蓝牙 LE 传输速度、功率和接收器灵敏度

在蓝牙 LE 的物理层中，传输速度以每秒符号而不是每秒位数来衡量。这是因为物理层关注的是发送和接收的实际无线电信号，而不是它们代表的数字位。澄清一下，符号是指模拟信号的最小单位，而比特则代表数字信息的最小单位。 PHY 层还描述了 LE 无线电发射器允许的输出功率级别，该功率级别在 0.01 到 100 mW（或 -20 到 +20 dBm）之间。然而，不同地区的监管机构可能有自己的要求，这些要求可能会取代蓝牙 SIG 的规范。因此，实施者必须确保其设备符合其计划使用或销售其产品的地区适用的当地法规。

PHY 层定义的两个附加示例特性是接收器灵敏度和误码率 (BER)。接收器灵敏度衡量接收器可以有效解码的最小信号强度，而误码率是指接收到的错误比特数与传输比特总数的比率。较低的 BER 表明通信链路更加可靠和准确，因为传输过程中发生的错误较少。制造商通常将接收器灵敏度指定为实现特定 BER 所需的最小信号强度。通常，当传输包含 37 个八位位组或更少的数据包时，蓝牙核心规范允许的最大 BER 为 0.1%。 直观地说，一个八位字节相当于 8 位。因此，包含 37 个八进制的数据包总计 37 x 8 = 296 位。当最大 BER 为 0.1% 时，此类数据包中允许的误码数将为 296 位的 0.1%。这意味着每 3 到 4 个 37 个八位位组的数据包最多出现一位错误。

BLE 时分双工 (TDD)

所有蓝牙 LE 无线电都是半双工设备，这意味着它们可以传输或接收数据，但不能同时传输或接收数据。根据 PHY 层，LE 无线电应使用时分双工 (TDD) 方案来模拟全双工系统的行为。在 TDD 中，设备在同一频段内的发射和接收模式之间快速切换，每种模式使用单独的时隙。该技术允许设备之间进行持续的双向通信，同时仍然作为半双工设备运行。  上面提到的这些特性只是蓝牙规范中的一些特性。

蓝牙 LE PHY 符号率模式 - 1M 和 2M

蓝牙 LE 技术提供多种 PHY 无线电模式，每种模式都有其独特的优点和局限性。让我们仔细看看这些模式。 1M—概述和优点 1M PHY 模式是标准蓝牙 LE 无线电模式，自蓝牙 LE (v4.0) 诞生以来就一直存在。它以每秒 1 兆符号 (Msym/s) 的符号速率运行，这意味着每个有效负载位只需 1 µs 即可传输。 每个蓝牙 LE 设备都必须支持 1M PHY 模式，使其成为唯一完全向后兼容不支持BLE 5 的BLE 设备的模式。它也被认为是比较其他 PHY 模式的基准。它在功耗和范围之间提供了良好的平衡，使其适合大多数日常应用。连接两个蓝牙 LE 设备时，1M PHY 模式始终是默认起点。从那里开始，如果两个设备都支持其他模式，则对等方可以请求切换到更高级的模式以满足特定要求。  以下是此模式的一些优点: 1M模式的优点：

低功耗

与所有蓝牙 LE 设备兼容

2M — 概述、用例和优势

2M PHY 模式随蓝牙 5.0 一起推出，其数据速率是 1M PHY 模式的两倍，运行速度为 2 Msym/s。这意味着每个有效负载位只需 0.5 µs 即可传输。2M模式允许更快的数据传输，这可以减少活动无线电通信期间的功耗，特别是对于较长的数据传输，其中与协商切换到该模式相关的开销成为整个通信的可忽略不计的部分。  下面我们将概述一些一般用例和此模式的优点: 2M 模式的理想用例：

高吞吐量应用程序，例如固件更新

大数据量应用，例如缓冲传感器

2M模式的优点：

更快的数据传输

更短的通讯时长，降低功耗

提高频谱效率

BLE 5.0 前向纠错 PHY 模式：Coded S2 和Coded S8

蓝牙 5.0 中引入的编码 PHY 模式旨在扩展蓝牙 LE 通信的范围和稳健性。编码 PHY 模式使用前向纠错 (FEC) 来增强噪声环境中的链路可靠性。该技术允许接收器检测并纠正接收数据中的错误，而无需请求重传。FEC 算法在传输前向原始数据添加冗余位（称为“奇偶校验位”）。然后，接收器可以使用这些奇偶校验位来识别并纠正一定限度内的错误。  与 1M PHY 相比，编码 PHY 提高了 BLE 的可靠性，但代价是吞吐量降低和功耗增加。

编码 PHY 模式的两种变体是Coded S2 和Coded S8。S2和S8之间的主要区别在于所使用的编码方案。 下面我们将简要介绍每种编码方案: Coded S2 在Coded S2中，数据有效负载用两个符号进行编码，这意味着有效负载数据的每一位都传输两个符号。换句话说，与 1M PHY 模式相比，数据速率减半。该编码方案提供了大约两倍于 1M PHY 模式范围的扩展范围，同时牺牲了一些数据吞吐量。

数据速率降低 2 倍（与 1M PHY 相比）

范围增加 2 倍

使用 2 符号编码，因此称为 S2

与 1M 和 2M PHY 相比吞吐量较低

Coded S8 Coded S8 将 FEC 提升到另一个水平。它使用八个符号编码方案，这意味着八个符号代表传输过程中有效负载数据的每一位。与 1M PHY 模式相比，这种编码导致数据速率降低八倍。S8 编码的优点是范围更广，大约是 1M PHY 模式范围的四倍（图 3），但代价是数据吞吐量显着降低。

图 3.S2和 S8 编码概述

数据速率降低 8 倍（与 1M PHY 相比）

范围增加 4 倍

使用比编码 S2 PHY 更强大的编码和纠错方案

使用 8 符号编码——因此被称为 S8

PHY 模式中吞吐量最低

编码 PHY 模式的理想用例：

远距离应用

工业自动化

智能家居

编码 PHY 模式的优点：

增加通讯范围

提高了嘈杂环境中的链路可靠性

抗干扰鲁棒性

比较 PHY 符号额定模式和前向纠错模式

结合上述对话，表 1 显示了不同模式的细分和比较。 表 1. 1M、2M、编码 S2 和编码 S8 之间的比较。

研究人员测试PHY模式的性能要求

自 2016 年 6 月发布以来， 格拉茨科技大学的研究人员 进行了一项研究，以评估 BLE 5 PHY 模式的实际性能。 由Michael Spörk领导的团队检查了 2M PHY 的性能，该 PHY 有望使吞吐量翻倍，而编码 PHY（也称为蓝牙远距离）的性能旨在提高通信可靠性。 实验是在一个空置的大学实验室中使用Nordic Semiconductor 的nRF52840 DK器件进行的。该设置由 BLE 客户端和所有四种 PHY 模式的外设组成，用于测量不同配置中的功耗、吞吐量和可靠性。 正如预期的那样，2M PHY 模式由于其快速的数据速率而产生最低的平均功耗。然而，编码的 S8 PHY 的功耗最高，主要是因为其编码方案的开销。与 1M PHY 模式相比，2M PHY 的功耗大约减少了 8%，而编码的 S2 和 S8 PHY 的功耗分别增加了大约 61% 和 70%。这些结果的细分如图 4 所示。

图 4.使用 125 ms 固定连接间隔时，具有不同 PDU 长度和 PHY 模式的 BLE 从设备的平均功耗。 在吞吐量方面，2M PHY 提供了最高的性能，实现了 1M PHY 模式吞吐量的 178% 至 212%，有效地将其容量翻倍。相反，编码的 S8 PHY 表现出最低的吞吐量。 该研究还通过测量不同链路质量的数据包接收率（PRR）来评估通信可靠性。2M PHY 具有最低的 PRR，而编码的 S2 和 S8 PHY 由于其编码方案，显着提高了链路质量较差的可靠性。 最后，研究人员评估了四种 PHY 模式在 Wi-Fi 干扰下的鲁棒性。正如预期的那样，编码 S8 PHY 模式提供了最高的 PRR 和可靠性。在 Wi-Fi 干扰下，编码 S2 和 S8 PHY 保持几乎 100% PRR，而 2M PHY 在 Wi-Fi 传输功率为 5 mW 时仅管理 54% PRR（图 5）。

图 5.不同衰减级别下不同 PHY 模式的数据包接收率。图片由Spörk 等人提供。 这些研究人员还发现了有关链接质量的一些有趣的事情。PHY 模式的最佳选择取决于连接的质量。当连接稳定且干扰较低时，2M PHY 模式是最大化数据吞吐量和能源效率的最佳选择。与其他 PHY 模式相比，其更高的数据吞吐量可实现更快、更节能的通信。 然而，当连接质量较差时，数据包经常被损坏。在这种情况下，编码 S8 PHY 模式变得更合适，因为它可以恢复大多数损坏的数据包而无需重传，因此更加节能。有趣的是，在 -10 dBm 和 -15 dBm 衰减之间有一个小的过渡区域，其中 1M PHY 模式在功耗方面略优于其他 PHY 模式。

选择正确的蓝牙 LE PHY 模式

在为您的应用选择最佳蓝牙 LE PHY 模式时，请考虑以下因素：

数据速率要求： 选择满足您的数据吞吐量需求的 PHY 模式。 2M 提供最高吞吐量，而编码 S8 提供最低吞吐量。

范围要求： 如果远程通信至关重要，则编码 PHY 模式可能更合适。

可靠性要求： 确定应用程序所需的可靠性级别，并考虑增强可靠性的 PHY 模式。

功耗： 考虑设备的功耗限制并选择可提供适当功率效率平衡的 PHY 模式。 2M PHY 模式最节能，而编码 S8 PHY 模式功耗最高。

链路质量： 评估应用程序环境的典型链路质量，并选择在这些条件下性能最佳的 PHY 模式。

兼容性： 确保所选的 PHY 模式与您想要通信的设备兼容。 通常，1M 是强制的，而 2M 和编码 PHY 模式是可选的。

总体而言，选择正确的蓝牙 LE PHY 模式通常涉及数据速率、范围和功耗的权衡。通过了解应用程序的具体要求，您可以找到最佳平衡以实现最大性能。最后，您需要决定什么对您的特定应用程序更重要：使数据传输速度提高两倍或大大提高连接的可靠性。如果您的应用需要高数据吞吐量，您可以选择 2M PHY 模式，尽管它的功耗较高且范围较小。另一方面，如果远程通信是更迫切的需求，那么编码 PHY 模式可能更合适，尽管其数据速率较低。 最后要考虑的一件事是链接质量。链路质量会影响您对 PHY 的选择，因为它会直接影响有效数据吞吐量和功耗。

在良好链路质量条件下运行良好的 PHY 模式在低质量环境中的表现可能与预期不同。  蓝牙 LE 提供了多种 PHY 模式，使其适用于更广泛的应用。了解每种 PHY 模式的优缺点有助于您选择最佳选项，根据您的特定需求平衡速度、距离和电池使用情况。随着蓝牙 LE 技术的不断改进，我们可以期待未来的无线设备具有更好的性能和效率。

审核编辑：黄飞