任何一種無線技術都無法適於所有的物聯網(IoT)應用。對於短距離、低功耗和低資料速率的應用,最常見的選擇是ZigBee、Z-Wave和藍牙低功耗(Bluetooth Low Energy;BLE)技術。隨著藍牙技術的改進,無線連結將變得更具吸引力,因而增加在此類物聯網應用中的用途。

藍牙5 (Bluetooth 5)增加了延長距離和提高資料傳輸率的能力。它將支援能在提高可靠性的同時保持低功耗的網狀網路。現在就來瞭解藍牙5中導入的關鍵實體層(PHY)增強功能、實際藍牙5裝置上的射頻(RF)測量,以及RF測量的技術和挑戰。

支援更遠距離傳輸

許多的物聯網裝置都是由電池供電的。藍牙5可以讓大部份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——這主要是透過為使用者資料定義較低資料速率而實現的。此外,針對這些資料進行編碼,將允許在接收器進行除錯,從而提供更高的靈敏度和更遠的距離。

藍牙4.0使用1Mbps的資料速率,但藍牙5提供了125kbps和500kbps的全新資料速率。500kbps使用兩倍編碼增益,以編碼位元取代一半的使用者資料。採用125kbps時,只有1/8的發送資料是使用者資料,其餘7/8則是編碼位元。這種編碼方法,配合搜尋模式關聯性的接收器功能進展,能夠提供12dB編碼增益的相等效果,有效地提高了接收器的靈敏度,理論上可將距離延長最高達4倍。許多物聯網應用只需要極低的資料速率,因此資料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規格還允許更高的發射功率。目前的藍牙4.0規格允許的最大值為+10dBm,而到了藍牙5則相應地增加到+20dBm了。

這些距離的改進將使藍牙5在現有應用中更加可靠,更適用於較長距離的應用中,例如家庭自動化和安全應用。圖1所示為採用125kbps、500kbps、1Mbps和2Mbps資料速率時藍牙5裝置的封包錯誤率(PER)曲線,顯示使用較低資料速率可提高接收器靈敏度。

20180424_LitePoint_TA31P1 根據BT5裝置可實現的資料速率及其對應PER曲線顯示,最低的資料速率(125kbps)只需最低功率(約-102dBm或更低),即可保持接近零的PER。而在2Mbps資料速率時,所需的功率提升至大約-90dBm

藍牙5並不像Wi-Fi和蜂巢式技術一樣針對真正的高資料速率應用而設計,但在某些情況下,需要用到較高的資料速率。除了現有的1Mbps資料速率外,藍牙5還導入了2Mbps資料速率,適用於無線韌體更新等應用。這一較高資料速率是透過增加符號率來實現的。

藍牙使用一種非常簡單的調變機制,每個符號傳送1位元資料。藉由將符號率增加到每秒2M個符號,可使峰值資料速率達到2Mbps。使用這種較高的符號率時並沒有編碼選項,因此它最適合較短距離以及非經常使用的情況(例如軟體更新)。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的頻寬,而藍牙5中使用2Mbps的速率,使頻寬增加到接近2MHz。藍牙低功耗通道以2MHz增量為間隔,因此,增加後的頻寬仍然適合現有的已定義頻率通道。

圖2的右側顯示來自藍牙5裝置的2Mbps突波RF測量。封包資料速率和調頻(FM)偏移是其處於等效1Mbps測量時的兩倍。

20180424_LitePoint_TA31P2 2Mbps擷取和測量的圖形顯示資料透過BT5連接傳輸時FM偏移隨時間的變化

BT5信標帶來更大資料封包

使用藍牙5後,信標裝置預計將變得更加普遍。這些信標不僅能夠覆蓋更遠的距離,傳輸的資料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「廣播封包」(Advertising Packets)的方法,以一致的間隔傳輸短資料突波。在採用藍牙4.0時,有三個專用的「廣播通道」,每個通道可以在每個封包中傳輸最多31個位元組的資料。這對於一些應用來說相當有限,而藍牙5使用新的廣播機制解決了這個問題。

在藍牙5.0中,裝置將繼續在三個專用廣播通道上進行傳輸,但在這些相對較短的傳輸中,每一個傳輸都成為一種指標,指向明顯包含更多資料的其他資料通道。想像一下需要在多個實體參數上傳輸資料的醫療裝置,您無法在31個位元組的資料中獲得太多資訊,但使用藍牙5.0中定義的新方法,現在可以傳輸數百個位元組的資料,而不需要經歷為兩個裝置進行配對和建立完整連接的複雜過程。

射頻測試

對於RF測試,藍牙5仍繼續使用由藍牙特別興趣小組(Bluetooth SIG)定義的直接測試模式(DTM)。在DTM下,待測裝置(DUT)透過有線通訊方式進行控制,如USB或通用非同步收發器(UART)。二進位命令發送到裝置以啟動發射器或接收器,具體取決於正在執行哪種類型的RF測試。藍牙5透過擴展至當前的DTM命令,遵循相同的方法進行操作,因此現在可以指定125kbps、500kbps、1Mbps或2Mbps的資料速率。

上述每種資料速率都採用不同的編碼和調變。採用新的較低資料速率時,設計人員有望看到接收器靈敏度顯著提高,一些先進裝置的接收器靈敏度甚至優於-100dBm。這種改善的性能會對裝置接收器提出額外的要求,從而降低底層雜訊,以及減輕其他外部源引起的靈敏度退化。

而在發射端,採用125kbps、500kbps或1Mbps傳輸速率時的實體層差異極小。這些速度使用1MS/s調變,因此實體層的訊號均具有相同的RF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份),但是在製造過程中,僅以1Mbps和2Mbps的資料速率執行發射器測試應該就足夠了。

為了設置和測量這些新功能,晶片組製造商將實施新的DTM命令。圖3顯示目前可實現新資料速率的DTM命令。這些測試對於BT SIG認證必不可少,因此設計人員可以預期所有的主要晶片組製造商都將實施新的DTM命令,以簡化工程設計和製造過程中的RF測試。

20180424_LitePoint_TA31P3 圖3:藍牙5增加了可實現新資料速率的直接測試模式(DTM)命令(來源:Bluetooth SIG)

網狀網路

網狀網路(mesh network)可讓裝置進行長距離的通訊,因為網路中的每個裝置都可能作為中繼。ZigBee和Z-Wave均包括網狀網路,可提高長距離通訊的可靠性。例如,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訊。這時只要使用藍牙5網狀網路即可,您的手機只需與網路中最接近的裝置通訊,然後將訊息轉發到您嘗試與其通訊的裝置,也可以從該裝置傳送訊息。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裝置間互通性。如今,許多藍牙應用採用1:1形式,這意味著裝置只需要與幾台先進的智慧型手機正常配合使用,即可覆蓋大多數的用戶應用。藉由旨在用於網狀網路的藍牙5裝置,設計人員需要透過幾十台裝置來驗證性能,以確保在多供應商環境下的可靠性。

藍牙5對於消費者和物聯網供應商十分有利;預計未來其在低功耗、低資料速率、短距離應用中的用途將明顯增加更多。儘管互通性和參數測試將面臨新的挑戰,但設備供應商已經在緊鑼密鼓地研發,同時也可提供有助於早期設計的測試解決方案。