在本文中，我們將探討各種低功耗藍(lán)牙 (BLE) PHY 無線模式。然而，在深入探討之前，讓我們首先對(duì)物理層或 PHY 層以及該協(xié)議層中涉及的內(nèi)容進(jìn)行基本討論。

BLE PHY 層背后的基礎(chǔ)知識(shí)

PHY 層是BLE 等無線通信協(xié)議的關(guān)鍵部分（圖 1）。

圖 1.顯示 PHY 層布局的示例協(xié)議棧。圖片由Microchip提供

對(duì)于藍(lán)牙設(shè)備，這一層主要涉及 LE 無線發(fā)射器和接收器如何使用無線信號(hào)發(fā)送和接收數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)。一般來說，PHY 層設(shè)置重要的規(guī)則和屬性，以確保設(shè)備可以有效地通信。它涵蓋的一些主要方面包括：

頻段

高斯頻移鍵控 (GFSK) 調(diào)制方案

傳輸速度

Power

接收靈敏度

時(shí)間劃分

考慮到這些方面，我們來看看第一個(gè)方面：頻段。

BLE 頻段

藍(lán)牙LE通信在全球未授權(quán)的2.4 GHz ISM(工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療)頻段內(nèi)進(jìn)行。這個(gè)頻帶被分成40個(gè)通道，每個(gè)通道 2 MHz 寬（圖 2）。

圖 2.藍(lán)牙 LR 通信的頻譜。圖片由Microchip提供 ? 此外，其中 37 個(gè)通道專用于數(shù)據(jù)傳輸和輔助廣播，而其余 3 個(gè)用作主要廣播通道，用于發(fā)現(xiàn)和發(fā)起設(shè)備之間的連接。

BLE調(diào)制方案—GFSK

所有 LE 無線發(fā)射器和接收器均使用 GFSK 調(diào)制方法通過無線信號(hào)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。一般來說，GFSK 通過根據(jù)傳輸?shù)臄?shù)字信息改變載波無線電信號(hào)頻率來對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼。載波是具有特定頻率的連續(xù)無線電信號(hào)，作為傳輸信息的基礎(chǔ)。? 所有LE無線電發(fā)射機(jī)和接收機(jī)都使用GFSK調(diào)制方法通過無線電信號(hào)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。一般來說，GFSK通過根據(jù)傳輸?shù)臄?shù)字信息改變載波無線電信號(hào)頻率來對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼。載體是具有特定頻率的連續(xù)無線電信號(hào)，作為傳輸信息的基礎(chǔ)。 當(dāng)需要發(fā)送數(shù)字“1”時(shí)，提高載波頻率，當(dāng)需要發(fā)送數(shù)字“0”時(shí)，降低頻率。這些頻率的變化稱為頻率偏差。在藍(lán)牙 LE 中，該頻移通常約為 ±185 kHz。 現(xiàn)在，我們來談?wù)?GFSK 的高斯方面。當(dāng)我們說“高斯”時(shí)，我們指的是高斯濾波器，它用于在編碼過程中整形和平滑頻率的變化。如果沒有高斯濾波，頻移將會(huì)突然發(fā)生，從而使信號(hào)更難以準(zhǔn)確傳輸和解碼。高斯濾波器可以平滑這些突然的頻率轉(zhuǎn)變。更平滑的頻率轉(zhuǎn)換可減少信號(hào)失真，使通信更加可靠，并有助于節(jié)省能源——這些都是設(shè)備之間低功耗無線通信的關(guān)鍵因素。

藍(lán)牙 LE 傳輸速度、功率和接收器靈敏度

在藍(lán)牙 LE 的物理層中，傳輸速度以每秒符號(hào)而不是每秒位數(shù)來衡量。這是因?yàn)槲锢韺雨P(guān)注的是發(fā)送和接收的實(shí)際無線電信號(hào)，而不是它們代表的數(shù)字位。澄清一下，符號(hào)是指模擬信號(hào)的最小單位，而比特則代表數(shù)字信息的最小單位。 PHY 層還描述了 LE 無線電發(fā)射器允許的輸出功率級(jí)別，該功率級(jí)別在 0.01 到 100 mW（或 -20 到 +20 dBm）之間。然而，不同地區(qū)的監(jiān)管機(jī)構(gòu)可能有自己的要求，這些要求可能會(huì)取代藍(lán)牙 SIG 的規(guī)范。因此，實(shí)施者必須確保其設(shè)備符合其計(jì)劃使用或銷售其產(chǎn)品的地區(qū)適用的當(dāng)?shù)胤ㄒ?guī)。

PHY 層定義的兩個(gè)附加示例特性是接收器靈敏度和誤碼率 (BER)。接收器靈敏度衡量接收器可以有效解碼的最小信號(hào)強(qiáng)度，而誤碼率是指接收到的錯(cuò)誤比特?cái)?shù)與傳輸比特總數(shù)的比率。較低的 BER 表明通信鏈路更加可靠和準(zhǔn)確，因?yàn)閭鬏斶^程中發(fā)生的錯(cuò)誤較少。制造商通常將接收器靈敏度指定為實(shí)現(xiàn)特定 BER 所需的最小信號(hào)強(qiáng)度。通常，當(dāng)傳輸包含 37 個(gè)八位位組或更少的數(shù)據(jù)包時(shí)，藍(lán)牙核心規(guī)范允許的最大 BER 為 0.1%。 直觀地說，一個(gè)八位字節(jié)相當(dāng)于 8 位。因此，包含 37 個(gè)八進(jìn)制的數(shù)據(jù)包總計(jì) 37 x 8 = 296 位。當(dāng)最大 BER 為 0.1% 時(shí)，此類數(shù)據(jù)包中允許的誤碼數(shù)將為 296 位的 0.1%。這意味著每 3 到 4 個(gè) 37 個(gè)八位位組的數(shù)據(jù)包最多出現(xiàn)一位錯(cuò)誤。

BLE 時(shí)分雙工 (TDD)

所有藍(lán)牙 LE 無線電都是半雙工設(shè)備，這意味著它們可以傳輸或接收數(shù)據(jù)，但不能同時(shí)傳輸或接收數(shù)據(jù)。根據(jù) PHY 層，LE 無線電應(yīng)使用時(shí)分雙工 (TDD) 方案來模擬全雙工系統(tǒng)的行為。在 TDD 中，設(shè)備在同一頻段內(nèi)的發(fā)射和接收模式之間快速切換，每種模式使用單獨(dú)的時(shí)隙。該技術(shù)允許設(shè)備之間進(jìn)行持續(xù)的雙向通信，同時(shí)仍然作為半雙工設(shè)備運(yùn)行。? 上面提到的這些特性只是藍(lán)牙規(guī)范中的一些特性。

藍(lán)牙 LE PHY 符號(hào)率模式 - 1M 和 2M

藍(lán)牙 LE 技術(shù)提供多種 PHY 無線電模式，每種模式都有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)和局限性。讓我們仔細(xì)看看這些模式。 1M—概述和優(yōu)點(diǎn) 1M PHY 模式是標(biāo)準(zhǔn)藍(lán)牙 LE 無線電模式，自藍(lán)牙 LE (v4.0) 誕生以來就一直存在。它以每秒 1 兆符號(hào) (Msym/s) 的符號(hào)速率運(yùn)行，這意味著每個(gè)有效負(fù)載位只需 1 μs 即可傳輸。 每個(gè)藍(lán)牙 LE 設(shè)備都必須支持 1M PHY 模式，使其成為唯一完全向后兼容不支持BLE 5 的BLE 設(shè)備的模式。它也被認(rèn)為是比較其他 PHY 模式的基準(zhǔn)。它在功耗和范圍之間提供了良好的平衡，使其適合大多數(shù)日常應(yīng)用。連接兩個(gè)藍(lán)牙 LE 設(shè)備時(shí)，1M PHY 模式始終是默認(rèn)起點(diǎn)。從那里開始，如果兩個(gè)設(shè)備都支持其他模式，則對(duì)等方可以請(qǐng)求切換到更高級(jí)的模式以滿足特定要求。? 以下是此模式的一些優(yōu)點(diǎn): 1M模式的優(yōu)點(diǎn)：

低功耗

與所有藍(lán)牙 LE 設(shè)備兼容

2M — 概述、用例和優(yōu)勢(shì)

2M PHY 模式隨藍(lán)牙 5.0 一起推出，其數(shù)據(jù)速率是 1M PHY 模式的兩倍，運(yùn)行速度為 2 Msym/s。這意味著每個(gè)有效負(fù)載位只需 0.5 μs 即可傳輸。2M模式允許更快的數(shù)據(jù)傳輸，這可以減少活動(dòng)無線電通信期間的功耗，特別是對(duì)于較長的數(shù)據(jù)傳輸，其中與協(xié)商切換到該模式相關(guān)的開銷成為整個(gè)通信的可忽略不計(jì)的部分。? 下面我們將概述一些一般用例和此模式的優(yōu)點(diǎn): 2M 模式的理想用例：

高吞吐量應(yīng)用程序，例如固件更新

大數(shù)據(jù)量應(yīng)用，例如緩沖傳感器

2M模式的優(yōu)點(diǎn)：

更快的數(shù)據(jù)傳輸

更短的通訊時(shí)長，降低功耗

提高頻譜效率

BLE 5.0 前向糾錯(cuò) PHY 模式：Coded S2 和Coded S8

藍(lán)牙 5.0 中引入的編碼 PHY 模式旨在擴(kuò)展藍(lán)牙 LE 通信的范圍和穩(wěn)健性。編碼 PHY 模式使用前向糾錯(cuò) (FEC) 來增強(qiáng)噪聲環(huán)境中的鏈路可靠性。該技術(shù)允許接收器檢測并糾正接收數(shù)據(jù)中的錯(cuò)誤，而無需請(qǐng)求重傳。FEC 算法在傳輸前向原始數(shù)據(jù)添加冗余位（稱為“奇偶校驗(yàn)位”）。然后，接收器可以使用這些奇偶校驗(yàn)位來識(shí)別并糾正一定限度內(nèi)的錯(cuò)誤。? 與 1M PHY 相比，編碼 PHY 提高了 BLE 的可靠性，但代價(jià)是吞吐量降低和功耗增加。

編碼 PHY 模式的兩種變體是Coded S2 和Coded S8。S2和S8之間的主要區(qū)別在于所使用的編碼方案。 下面我們將簡要介紹每種編碼方案: Coded S2 在Coded S2中，數(shù)據(jù)有效負(fù)載用兩個(gè)符號(hào)進(jìn)行編碼，這意味著有效負(fù)載數(shù)據(jù)的每一位都傳輸兩個(gè)符號(hào)。換句話說，與 1M PHY 模式相比，數(shù)據(jù)速率減半。該編碼方案提供了大約兩倍于 1M PHY 模式范圍的擴(kuò)展范圍，同時(shí)犧牲了一些數(shù)據(jù)吞吐量。

數(shù)據(jù)速率降低 2 倍（與 1M PHY 相比）

范圍增加 2 倍

使用 2 符號(hào)編碼，因此稱為 S2

與 1M 和 2M PHY 相比吞吐量較低

Coded S8 Coded S8 將 FEC 提升到另一個(gè)水平。它使用八個(gè)符號(hào)編碼方案，這意味著八個(gè)符號(hào)代表傳輸過程中有效負(fù)載數(shù)據(jù)的每一位。與 1M PHY 模式相比，這種編碼導(dǎo)致數(shù)據(jù)速率降低八倍。S8 編碼的優(yōu)點(diǎn)是范圍更廣，大約是 1M PHY 模式范圍的四倍（圖 3），但代價(jià)是數(shù)據(jù)吞吐量顯著降低。

圖 3.S2和 S8 編碼概述

數(shù)據(jù)速率降低 8 倍（與 1M PHY 相比）

范圍增加 4 倍

使用比編碼 S2 PHY 更強(qiáng)大的編碼和糾錯(cuò)方案

使用 8 符號(hào)編碼——因此被稱為 S8

PHY 模式中吞吐量最低

編碼 PHY 模式的理想用例：

遠(yuǎn)距離應(yīng)用

工業(yè)自動(dòng)化

智能家居

編碼 PHY 模式的優(yōu)點(diǎn)：

增加通訊范圍

提高了嘈雜環(huán)境中的鏈路可靠性

抗干擾魯棒性

比較 PHY 符號(hào)額定模式和前向糾錯(cuò)模式

結(jié)合上述對(duì)話，表 1 顯示了不同模式的細(xì)分和比較。 表 1. 1M、2M、編碼 S2 和編碼 S8 之間的比較。

研究人員測試PHY模式的性能要求

自 2016 年 6 月發(fā)布以來，?格拉茨科技大學(xué)的研究人員?進(jìn)行了一項(xiàng)研究，以評(píng)估 BLE 5 PHY 模式的實(shí)際性能。 由Michael Sp?rk領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)檢查了 2M PHY 的性能，該 PHY 有望使吞吐量翻倍，而編碼 PHY（也稱為藍(lán)牙遠(yuǎn)距離）的性能旨在提高通信可靠性。 實(shí)驗(yàn)是在一個(gè)空置的大學(xué)實(shí)驗(yàn)室中使用Nordic Semiconductor 的nRF52840 DK器件進(jìn)行的。該設(shè)置由 BLE 客戶端和所有四種 PHY 模式的外設(shè)組成，用于測量不同配置中的功耗、吞吐量和可靠性。 正如預(yù)期的那樣，2M PHY 模式由于其快速的數(shù)據(jù)速率而產(chǎn)生最低的平均功耗。然而，編碼的 S8 PHY 的功耗最高，主要是因?yàn)槠渚幋a方案的開銷。與 1M PHY 模式相比，2M PHY 的功耗大約減少了 8%，而編碼的 S2 和 S8 PHY 的功耗分別增加了大約 61% 和 70%。這些結(jié)果的細(xì)分如圖 4 所示。

圖 4.使用 125 ms 固定連接間隔時(shí)，具有不同 PDU 長度和 PHY 模式的 BLE 從設(shè)備的平均功耗。 在吞吐量方面，2M PHY 提供了最高的性能，實(shí)現(xiàn)了 1M PHY 模式吞吐量的 178% 至 212%，有效地將其容量翻倍。相反，編碼的 S8 PHY 表現(xiàn)出最低的吞吐量。 該研究還通過測量不同鏈路質(zhì)量的數(shù)據(jù)包接收率（PRR）來評(píng)估通信可靠性。2M PHY 具有最低的 PRR，而編碼的 S2 和 S8 PHY 由于其編碼方案，顯著提高了鏈路質(zhì)量較差的可靠性。 最后，研究人員評(píng)估了四種 PHY 模式在 Wi-Fi 干擾下的魯棒性。正如預(yù)期的那樣，編碼 S8 PHY 模式提供了最高的 PRR 和可靠性。在 Wi-Fi 干擾下，編碼 S2 和 S8 PHY 保持幾乎 100% PRR，而 2M PHY 在 Wi-Fi 傳輸功率為 5 mW 時(shí)僅管理 54% PRR（圖 5）。

圖 5.不同衰減級(jí)別下不同 PHY 模式的數(shù)據(jù)包接收率。圖片由Sp?rk 等人提供。 這些研究人員還發(fā)現(xiàn)了有關(guān)鏈接質(zhì)量的一些有趣的事情。PHY 模式的最佳選擇取決于連接的質(zhì)量。當(dāng)連接穩(wěn)定且干擾較低時(shí)，2M PHY 模式是最大化數(shù)據(jù)吞吐量和能源效率的最佳選擇。與其他 PHY 模式相比，其更高的數(shù)據(jù)吞吐量可實(shí)現(xiàn)更快、更節(jié)能的通信。 然而，當(dāng)連接質(zhì)量較差時(shí)，數(shù)據(jù)包經(jīng)常被損壞。在這種情況下，編碼 S8 PHY 模式變得更合適，因?yàn)樗梢曰謴?fù)大多數(shù)損壞的數(shù)據(jù)包而無需重傳，因此更加節(jié)能。有趣的是，在 -10 dBm 和 -15 dBm 衰減之間有一個(gè)小的過渡區(qū)域，其中 1M PHY 模式在功耗方面略優(yōu)于其他 PHY 模式。

選擇正確的藍(lán)牙 LE PHY 模式

在為您的應(yīng)用選擇最佳藍(lán)牙 LE PHY 模式時(shí)，請(qǐng)考慮以下因素：

數(shù)據(jù)速率要求： 選擇滿足您的數(shù)據(jù)吞吐量需求的 PHY 模式。 2M 提供最高吞吐量，而編碼 S8 提供最低吞吐量。

范圍要求： 如果遠(yuǎn)程通信至關(guān)重要，則編碼 PHY 模式可能更合適。

可靠性要求： 確定應(yīng)用程序所需的可靠性級(jí)別，并考慮增強(qiáng)可靠性的 PHY 模式。

功耗： 考慮設(shè)備的功耗限制并選擇可提供適當(dāng)功率效率平衡的 PHY 模式。 2M PHY 模式最節(jié)能，而編碼 S8 PHY 模式功耗最高。

鏈路質(zhì)量： 評(píng)估應(yīng)用程序環(huán)境的典型鏈路質(zhì)量，并選擇在這些條件下性能最佳的 PHY 模式。

兼容性： 確保所選的 PHY 模式與您想要通信的設(shè)備兼容。 通常，1M 是強(qiáng)制的，而 2M 和編碼 PHY 模式是可選的。

總體而言，選擇正確的藍(lán)牙 LE PHY 模式通常涉及數(shù)據(jù)速率、范圍和功耗的權(quán)衡。通過了解應(yīng)用程序的具體要求，您可以找到最佳平衡以實(shí)現(xiàn)最大性能。最后，您需要決定什么對(duì)您的特定應(yīng)用程序更重要：使數(shù)據(jù)傳輸速度提高兩倍或大大提高連接的可靠性。如果您的應(yīng)用需要高數(shù)據(jù)吞吐量，您可以選擇 2M PHY 模式，盡管它的功耗較高且范圍較小。另一方面，如果遠(yuǎn)程通信是更迫切的需求，那么編碼 PHY 模式可能更合適，盡管其數(shù)據(jù)速率較低。 最后要考慮的一件事是鏈接質(zhì)量。鏈路質(zhì)量會(huì)影響您對(duì) PHY 的選擇，因?yàn)樗鼤?huì)直接影響有效數(shù)據(jù)吞吐量和功耗。

在良好鏈路質(zhì)量條件下運(yùn)行良好的 PHY 模式在低質(zhì)量環(huán)境中的表現(xiàn)可能與預(yù)期不同。? 藍(lán)牙 LE 提供了多種 PHY 模式，使其適用于更廣泛的應(yīng)用。了解每種 PHY 模式的優(yōu)缺點(diǎn)有助于您選擇最佳選項(xiàng)，根據(jù)您的特定需求平衡速度、距離和電池使用情況。隨著藍(lán)牙 LE 技術(shù)的不斷改進(jìn)，我們可以期待未來的無線設(shè)備具有更好的性能和效率。

審核編輯：黃飛