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Bluetooth 5如何最大限度提高Bluetooth低能耗连接范围

2017-06-09 16:10:24   来源:单片机与嵌入式系统应用   浏览: 190 次

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  借助核心技术规格5.0版本,Bluetooth不再作为一个只用于个人局域网络(PAN)的无线协议存在。在这个技术规格中新增加了3个数据速率,其中两个是专门定制的,用来提高Bluetooth低能耗连接的范围。通过良好的室内和室外覆盖率,该提升可以使网络变得更加便捷,而且非常适用于住宅、楼宇和工业自动化中所使用的物联网(IoT)产品。

  不过,Bluetooth 5无线链路的实际范围到底是多少?通过使用全新的125kbps编码物理层 (PHYsical)格式,TI此前曾演示过基于两个SimpleLink™ Bluetooth低能耗CC2640R2F无线微控制器(MCU)LaunchPad™开发套件之间1.6km的室外范围,而这个范围实在是令人印象深刻。那么,我们为什么不在CC2640R2F无线MCU数据表中明确提出1.6km范围的技术规格呢?

  来之不易的微型芯片:CC2640R2F无线MCU提供数个封装选项,其中包括一个2.7mm x 2.7mm的芯片级封装(WCSP)

  不巧的是,事情往往没那么简单。作为系统开发人员和RF设计人员,我们能够明确影响范围的参数,同时,我们还可以利用可靠且可重复的结果在受控环境中测量这些参数。但是当在真实环境中使用RF器件时,这个由测量得出的“最终结果”却会出现显著的差异。在这个真实环境中,多重反射、障碍物以及对RF活动的干扰将会形成两个随机变量,这两个变量将决定用户是否能够在为设备选择的两个定位之间建立起一个链路。第一个变量是传输路径损耗,这一参数测量的是接收器所获得的发射功率;第二个变量是接收器所在位置的实际灵敏度等级。后者取决于接收器周围有多少干扰RF功率。如果没有干扰的存在,这个灵敏度等级则由热背景噪声决定,并且将与数据表中规定的灵敏度相对应。

  一个用来描述RF系统覆盖范围能力的常用术语是链路预算。链路预算是发射功率与灵敏度等级之间的比或比率。在一个正在运行的RF链路中,发射器将以一个指定的RF功率级进行发送,而这个RF功率的一部分(通常情况下非常微小)将被接收天线接收,并且馈入到接收器当中。如果这部分过于微小,那么接收到的功率级将下降到接收器灵敏度等级以下,这条链路也将出现故障。因此,链路预算被定义为发射功率与接收器灵敏度等级之间的比率,或者用公式表达为

  为了方便起见,链路预算通常以对数刻度(dB)为单位进行表示。输出功率和灵敏度通常被表示为相对于1mW(dBm)的一个对数刻度。这意味着

  从上述等式中你可以清楚发现两种提升链路预算的方法:

  •   增加输出功率
  •  改进(减少)接收器灵敏度等级

  提高输出功率是非常简单又直接的方法,但是要为此而付出的代价是功耗的增加,有时这种代价会很大,并且最终会引起法律法规方面的问题。所有的监管区域均限制了RF发射能级和有害杂散发射,而这两者都会在发射功率提高时有所增加。

  另一个选择是在Bluetooth 5以提供4倍的RF范围被采用时,提高接收器的灵敏度。这是蓝牙技术联盟(Bluetooth SIG)选择的一条途径。我们之前也采用过这种方法,以最低功耗来提供具有最长范围的Bluetooth低能耗解决方案。需要注意的一点是,蓝牙技术联盟或任何一家硬件厂商包括TI,都没有规定实际的范围。我们规定的只是基于灵敏度方面切实可行的、对改进程度可测量的一个理论上的比率。如果我们能够在一个完全受控的环境中来测量这个范围,我们就将在实际应用中看到精确改进后的效果。但是一个受控环境要么是一个消音天线室,要么是外部空间(没有其它的辐射源)。不幸的是,在测试范围方面,无论是千米长的天线室,还是外部空间,在经济上都是不可行的。

  在自由空间内,范围的加倍需要链路预算提升四倍,或者增加6dB。与2010年左右就已出现的初代1M/s Bluetooth 4.0 LE接收器相比,对于全新Bluetooth 5长距离数据速率来说,范围提升四倍意味着将灵敏度提高12dB。

  当蓝牙技术联盟对全新编码物理层进行定义和讨论时,最好的Bluetooth低能耗接收器的灵敏度等级大约为-93dBm。这曾经被用作全新编码物理层的参考基准,所以全新的调制和编码格式也将需要适应真实环境中的灵敏度等级,也就是-105dBm。这也正是全新125kbps编码物理层所能实现的功能,而它是通过一个双向方法做到的。最大的改进仅仅是数据速率被减少至1/8,而这意味着对于任意指定的功率级,每个位所携带的能量要比之前多八倍。理论上,这使得接收器能够在功率级低9dB的情况下接收信号,并且仍像之前一样,每一位积聚同样多的能量。

  对于我们所需要的12dB,我们仍然有3dB的缺口。这最后的3dB可以通过采用的编码来实现。这个-93dBm比较级(对于1Mbps来说)假定了一个标准差解调器,根据与之前符号的比较,解调器中每一个接收到的符号(每个位1个符号)被确定为“1”或“0”。这个编码物理层使半相干接收器的运行更加便捷,其中的8个符号组成1位,而相关器可以搜索这些已知的符号序列。

  目前,CC2640R2F无线MCU可以提供达到-103dBm的业内最佳灵敏度等级,只比-105dBm的目标少2dB。借助CC2640R2F器件所提供的+5dBm输出功率,这款器件提供了高达108dBm的链路预算。TI不断扩展SimpleLink CC264x器件系列,使它们具有更多的存储器和更高的安全性,而借助这些器件,我们离蓝牙技术联盟在2017年设定的12dB的目标更进了一步。

  以上就是在Bluetooth 5中将灵敏度提升12dB的方法,以及从理论上讲,相对于第一个Bluetooth低能耗接收器,如何在不增加输出功率的情况下将它的范围提升四倍。与此同时,通过采用不同的技术工艺,这款全新的CC2640R2F无线MCU已经将1Mbps灵敏度等级从-93dBm提升至-97dBm,这就使得其在性能方面与相干接收器的距离又拉近了一点。

  在TI位于挪威奥斯陆办公室附近的一个高度不受控的环境中,我们已经使用包含125kbps PHY的全新SimpleLink CC2640R2F无线MCU进行了一个户外范围测试,在这个环境中,我们能够保持一个范围超过1.6km的连接。

  虽然实际范围会如之前所述,随着环境和应用的变化而改变,但这个实验的主要成果在于,与Bluetooth 4.x相比,Bluetooth 5必然能够大幅提高范围,而这也使那些激动人心的全新应用成为可能。

  最后,必须提到的一点是,功耗仍然是大多数Bluetooth低能耗应用所关心的主要问题。我们在演示中所使用的发射功率级只有+5dBm,发射时的峰值电流大约9mA,接收时这个值达到6mA。与CC2640R2F器件的极低待机流耗组合在一起,对于Bluetooth低能耗应用来说,这可以实现巨大的室内和室外覆盖率,并且可以由一块纽扣电池供电运行数年。

  在使用由一个小纽扣电池供电,并且能够与住宅、楼宇或工厂的任何一个角落进行数据往来的Bluetooth低能耗连接时,技术的创新是永无止境的。

  预计在2017年第二和第三季度发行的软件开发套件(SDK),支持针对SimpleLink CC2640R2F无线MCU的全新Bluetooth低能耗标准。而这款SimpleLink CC2640R2F无线MCU已经从2016年12月初就已投入大规模生产。


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