藍牙5如何增加低功耗藍牙的連接距離

隨著核心規(guī)范版本5.0的推出，藍牙?不再是僅用于個人區(qū)域網(wǎng)絡（PAN）的無線協(xié)議。該規(guī)范增加了三個新的數(shù)據(jù)速率，其中兩個是專門為增加低功耗藍牙的連接距離而量身定制的。這將促進具有良好室內(nèi)和室外覆蓋的網(wǎng)絡，非常適合家庭、建筑和工業(yè)自動化的物聯(lián)網(wǎng)（IoT）產(chǎn)品。

但是藍牙5無線電鏈路的實際距離是多少？在本視頻，中，我們展示了使用新125 kbps編碼PHY（PHYsical）格式的兩個低功耗SimpleLink?藍牙CC2640R2F無線微控制器（MCU）LaunchPad?開發(fā)套件之間的1.6千米室外距離連接，非常令人印象深刻。那么，為什么我們在CC2640R2F無線MCU數(shù)據(jù)表中不規(guī)定為1.6千米？

微小的芯片撬動大世界：CC2640R2F無線MCU提供多種封裝選項，包括2.7mm x 2.7mm芯片級封裝（WCSP）

不幸的是，事實上卻并非那么簡單。作為系統(tǒng)開發(fā)人員和RF設計人員，我們可以指定影響距離的參數(shù)，并且我們可以在受控環(huán)境中測量可靠和可重復的結(jié)果。但是，在將RF設備帶進現(xiàn)實世界中后，“最終結(jié)果”的距離會發(fā)生顯著變化，其中許多反射、障礙物和干擾RF的活動都會成為兩個隨機變量，這將決定您為設備選擇的兩個位置之間是否可以建立連接。第一個變量是傳輸路徑損耗，測量接收器接收的發(fā)射功率的多少。第二個變量是接收器位置處的實際靈敏度水平。后者由接收器探測到的干擾RF功率量確定。如果不存在干擾，則靈敏度水平由熱背景噪聲確定，并與數(shù)據(jù)表中指定的靈敏度相對應。

用于描述RF系統(tǒng)的距離能力的通用術(shù)語是鏈路預算。鏈路預算是發(fā)射功率和靈敏度水平之間的比較（或比率）。在運行的RF鏈路中，發(fā)射器將以指定的RF功率水平發(fā)射，該RF功率的（通常很小的）部分將由接收天線接收并饋送到接收器。如果該部分太小，則接收的功率水平將下降到接收器靈敏度水平以下，鏈路將失敗。因此鏈路預算被定義為發(fā)射功率和接收器靈敏度水平之間的比率，或者

鏈路預算 =發(fā)射功率

RX靈敏度水平

為了方便，鏈路預算通常以對數(shù)標度（dB）表示。輸出功率和靈敏度通常以相對于1mW（dBm）的對數(shù)標度表示。這意味著

LBdB = 發(fā)射功率（dBm） - RX靈敏度水平（dBm）

很清楚，有兩種方式可以提高您的鏈路預算。您可以：

提高輸出功率

提高（降低）接收器靈敏度水平

增加輸出功率非常直接，但是其代價是（有時顯著地）增加功率消耗，并且最終會是法規(guī)合規(guī)問題。所有監(jiān)管法規(guī)對RF發(fā)射水平和不需要的雜散發(fā)射都有限制，當我們增加發(fā)射功率時，這兩者都會增加。

另一個選項，提高接收器靈敏度，是旨在提供四倍的RF距離的藍牙SIG采用的藍牙5所選擇的路徑。我們選擇了這個選項，還為了提供最低的功耗最長距離的低功耗藍牙解決方案。請注意，藍牙SIG或任何硬件制造商（包括我們）沒有指定實際距離。我們指定的僅僅是基于靈敏度水平的可實現(xiàn)和可測量的改善的理論比率。如果我們能夠在完全受控的環(huán)境中測量距離，我們將在實踐中準確地看到這種改進。但受控的環(huán)境是消聲的天線室或外部空間（沒有其他輻射源）。不幸的是，從經(jīng)濟角度來看，幾千米長的天線室和外部空間都不能用于測試距離。

在自由空間中，距離加倍需要鏈路預算增大四倍（或增加6dB）。這意味著，與2010年以來使用的原始1 Mb/s 藍牙4.0 LE接收器相比，4倍的距離對于新型藍牙5長距離數(shù)據(jù)速率（稱為“編碼PHY”）需要12dB的靈敏度。

在藍牙SIG定義和討論新的編碼PHY時，最好的低功耗藍牙接收器具有大約-93dBm的靈敏度水平。這被用作新編碼PHY比較的參考水平，因此新的調(diào)制和編碼格式將需要適應-105dBm的現(xiàn)實靈敏度水平。這正是新的125kbps編碼PHY的作用，通過雙向方法實現(xiàn)。最大的改進為數(shù)據(jù)速率降低到1/8，這意味著對于任何給定的功率水平，每個比特攜帶8倍的能量。理論上，這使得接收器以低9dB的功率接收信號，并且仍然累積與之前相同的每比特能量。

我們?nèi)匀槐日趯ふ业?2dB少3dB。采用編碼可以實現(xiàn)最后3dB。-93dBm比較水平（1Mpbs）采用標準差分解調(diào)器，基于與先前符號的比較，將每個接收符號（每比特1個符號）確定為“1”或“0”。編碼PHY對半相干接收器起到促進作用，八個符號構(gòu)成1比特，并且相關(guān)器可以搜索這些已知符號序列。

CC2640R2F無線MCU今天提供了業(yè)界最佳的-103dBm的靈敏度水平，離-105dBm目標僅差2dB。利用CC2640R2F器件的+5dBm輸出功率，這提供了令人印象深刻的108dB鏈路預算。我們正在繼續(xù)擴展具有更多內(nèi)存和安全性的SimpleLink CC264x 器件系列，通過這些器件，我們將更接近于由藍牙 SIG于2017年設定的12 dB目標。

這就是藍牙5如何改進12 dB靈敏度，與第一個低功耗藍牙接收器相比，它在理論上在不增加輸出功率的情況下提供四倍的改進距離。與此同時，新型CC2640R2F無線MCU通過采用各種技術(shù)來提高了1Mbps的靈敏度，從-93dBm提高到-97dBm，更接近相干接收器的性能。

我們使用我們的新型SimpleLink CC2640R2F無線MCU進行戶外測試，使用125kbps PHY在我們挪威奧斯陸辦公室附近的高度不受控制的環(huán)境中，我們能夠在1.6千米距離內(nèi)保持連接。

如前所述，雖然實際的距離將根據(jù)環(huán)境和應用而變化，但是從這個實驗中可以看出，藍牙5肯定比藍牙4.x顯著地增長距離，這打開了用于新應用的可能性。

最后，應該提到的是，功耗仍然是大多數(shù)低功耗藍牙應用的關(guān)鍵。我們在視頻中展示的距離演示使用的發(fā)射功率水平僅為+ 5dBm，在TX中消耗大約9mA的峰值功率，在RX中消耗6mA的峰值功率。加上CC2640R2F器件非常低的待機電流消耗，這可以實現(xiàn)卓越的室內(nèi)和室外覆蓋的低功耗藍牙應用，可以使用紐扣電池運行許多年。

現(xiàn)在輪到你考慮我們的挑戰(zhàn) - 你將如何利用藍牙5遠距離模式？報警傳感器？煙霧探測器？照明控制？在評論中與我們分享。利用低功耗藍牙連接可進行的創(chuàng)新非常多，采用小型紐扣電池供電，可以把數(shù)據(jù)傳送到您的房子、建筑或工廠的各個角落。

支持SimpleLink CC2640R2F無線MCU的新低功耗藍牙標準的軟件開發(fā)套件（SDK）預計將于2017年第2季度和第3季度發(fā)布。請注意，SimpleLink CC2640R2F無線MCU自2016年12月初開始批量生產(chǎn)。

今天開始開發(fā)低能耗藍牙應用：

訪問TI的SimpleLink低功耗藍牙CC2640R2F無線MCU產(chǎn)品文件夾

訂購低功耗藍牙LaunchPad套件以快速開始開發(fā)。

還有其他問題？請在德州儀器在線支持社區(qū)藍牙低功耗論壇咨詢我們的工程師專家。

想了解低能耗藍牙？閱讀我們的其他博文：

關(guān)于新型SimpleLink?藍牙低功耗CC2640R2F無線MCU需要了解的5個事實

高性能和低功耗……原生態(tài)動態(tài)二重奏

使用全新藍牙4.2認證軟件，使您的藍牙?低功耗解決方案快速、簡單和安全

藍牙?4.2如何幫助實現(xiàn)產(chǎn)品安全

Bluetooth?5將釋放SimpleLink?CC2640無線MCU的強大功能

低功耗藍牙?技術(shù)如何革新醫(yī)療保健

編輯：jq