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作者 標題 [COMM]新規格強化傳輸性能 藍牙5穩占智慧家庭IoT先機
時間 2018-05-01 Tue. 17:24:08
新規格強化傳輸性能 藍牙5穩占智慧家庭IoT先機
新通訊 2018 年 2 月號 204 期《 技術前瞻 》
文．Henrik Snellman/Mikko Savolainen/Jere Knaappila/Pasi Rahikkala
本文將介紹藍牙(Bluetooth)5技術的新功能，以及這些功能將如何協助下一波的物聯網(IoT)應用。Bluetooth 5的重要功能包括兩倍傳輸速度、四倍傳輸範圍及八倍長距離廣告推送能力，還有更穩定的連線能力、更優異的使用者體驗和更智慧化的信標(Beacon)。
藍牙5規格翻新 滿足物聯網需求
快速發展和擴大的物聯網市場為裝置製造商帶來一些巨大的商機。由於各種新應用的出現以及須使用無線連接的裝置數量迅速增加，亦使各種無線標準技術聯盟忙於開發全新的標準或更新現有的標準，以滿足物聯網的特定需求。
對於物聯網相關應用和裝置市場成長的預估眾說紛紜，但研究估計，到2025年前，其年複合成長率(CAGR)將可達到約16%。若要實現所有的使用場景，如此廣泛的物聯網應用將須使用數種無線標準。這反過來也意味著必須充分解決共存問題。而且，對合適閘道裝置的需求也會明顯增加。
根據市占率估計，在2021年前，將有60%的無線裝置使用藍牙，同時，在16%的裝置中會採用低功耗藍牙(BLE)。大部分的成長將出現於智慧家庭、信標、聯網家庭和穿戴式裝置等應用。據電腦雜誌《Datamation》報導，ABI Research預計，2016年至2021年之間，低功耗藍牙的出貨量將達到34%的年複合成長率。如此的成長速度不僅需要極為穩定和可靠的無線標準，同時還需要製造商在其硬體產品中充分地發揮無線標準所允許的可能性，並可提供易於使用且功能強大的軟體堆疊。
藍牙存在將近20年，目前已用於大約82億部的裝置，已充分證明其穩定性和可靠性。為了滿足全新物聯網環境的要求，藍牙技術聯盟(Bluetooth SIG)於2016年12月宣布推出Bluetooth 5規格。最新的藍牙標準已對頻寬、傳輸範圍、廣播和共存等功能達到提升。
全新2Mbps PHY加持 資料傳輸速度翻倍 Bluetooth 5的主要功能之一是全新的2Mbps實體(PHY)。Bluetooth 4.x裝置僅支援單一1Mbps PHY速率，但Bluetooth 5裝置則能支援1Mbps或2Mbps PHY速率。若將PHY速率加倍，裝置可傳輸的資料量幾乎增加一倍(表1)。更快速的PHY的另一個好處，就是傳輸和接收資料所需的時間縮短，因此平均電流消耗也較低，這是因為裝置在低功率睡眠模式中的時間更長。
在提供低功耗的情況下，若輸送量加倍將可讓應用為使用案例提供更快的資料傳輸，例如空中傳輸(OTA)韌體升級或傳輸從感應器收集的數天資料，並可改善醫療裝置和安全系統等時間關鍵應用的延遲和回應能力。
支援2Mbps PHY的Bluetooth 5裝置仍可與Bluetooth 4裝置完全向後相容，並將使用1Mbps PHY與不支援新2Mbps PHY的裝置進行通訊。第一款支援Bluetooth 5和2Mbps PHY的智慧型手機和平板電腦已於2017年上市，且市場上大多數的智慧型手機將會在未來兩到四年內符合Bluetooth 5規格。
圖1所示為在兩個EFR32 Blue Gecko SoC之間測量的1Mbps PHY和2Mbps PHY連接之間的平均電流消耗差異。裝置使用+8dBm TX功率，25毫秒(ms)連接間隔，且僅傳送最短的80微秒(μs)和44微秒封包，節能效果最低。即使如此，2Mbps PHY仍可降低約15%的平均功耗。使用標準長度的藍牙封包和2M PHY時，應可達到高達40~50%的節能效果。
圖1 1Mbps PHY(左)和2Mbps PHY(右)與EFR32BG12 SoC的平均功耗比較
具LE長距離功能 傳輸範圍擴大四倍
Bluetooth 5的低功耗(Low Energy, LE)長距離功能可將傳輸範圍擴大四倍，並提供穩定和可靠的連接。這意味著將可實現整個房屋和建築物的涵蓋範圍，以及針對戶外、工業和商業應用的全新使用案例。這些都是藍牙在之前無法處理的問題，或是可處理但仍僅限於有限的傳輸範圍。
Bluetooth 5如何提供四倍的傳輸範圍？接著做說明： LE編碼PHY
除了2M PHY之外，Bluetooth 5還包含兩個額外的可選PHY，稱為LE編碼PHY。LE編碼PHY實際上會使用1M PHY速率，但是實際的有效負載是以500kbps(S=2)或125kbps(S=8)速率進行編碼，而前序編碼和存取位址則使用1M編碼。
與1M和2M PHY相較，LE編碼PHY所採用的封包格式也略有不同。LE封包中會加入編碼指標(CI)和TERM1與TERM2標頭(圖2)。 圖2 Bluetooth 5未編碼與編碼的PHY封包格式
使用編碼的PHY可改善RX靈敏度，這也意味著傳輸範圍的提升。通常，使用500kbps或125kbps PHY可達到4~6dB的RX靈敏度改善，且這通常將會產生二至四倍的傳輸範圍改善。當然，LE編碼PHY的缺點是TX和RX時間將會更長，進而導致平均功耗增加。表2是LE編碼PHY關鍵參數的總結。
前向錯誤修正和模式映射器
LE編碼PHY也可改變TX和RX操作的位元流處理，並且在封包傳送和接收中增加兩個步驟。
首先，LE編碼PHY會針對封包應用前向錯誤修正，使得接收器具有在接收封包時修正位元錯誤的能力，並降低封包錯誤率。其次，會針對封包應用模式映射器，以提高通訊效率。圖3所示為新的位元流PDU處理順序。
圖3 LE編碼PHY TX和RX封包處理
如圖4所示，FEC區塊透過迴旋式糾錯編碼器將每個輸入位元轉換為兩個輸出位元，這意味著在針對封包應用FEC時，所傳輸的位元數將會複製。
圖4 FEC編碼器
來自迴旋式FEC編碼器的位元會在模式映射器中轉換為P符號。P值取決於所選擇的編碼方案。若S=2，則P值為1，但是若S=8，則FEC編碼器的每個位元會產生四個輸出位元(P=4)，如表3所示。
當使用S=2時，無線傳輸範圍大約會增加為二倍，而S=8時，則為四倍。FEC演算法所要求的額外位元會對有效負載產生負擔，這是增加傳輸範圍的缺點。
實際上，若S=2，則沒有變化(P=1)，但是從S=8，FEC編碼器的每個位元均將產生四個輸出位元(P=4)。現在S=2時，傳輸範圍將大約增加為二倍，而S=4則約為四倍。
缺點是接收器末端的FEC演算法會需要額外的資料，這將影響資料的傳輸量，從而導致資料速率相應地降低。FEC編碼器和模式映射器的淨效果是在S=2時一位元變為兩位元，而在S=8時則變為8位元。
最大發射功率和通道選擇演算法#2 Bluetooth 5中的最大發射功率定義為+20dBm，而在Bluetooth 4規格中，此層級定義為+10dBm。當然，將TX功率提高十倍可能會對最大傳輸範圍產生根本的影響。但是，使用+20dBm TX功率並搭配低功耗藍牙技術卻不是容易的做法，因為不同的主管機構不允許高於10dBm的發射功率，這是由於在進行廣告推送或連接時，低功耗無線電的藍牙僅可使用簡化的跳頻序列和少量的通道。
然而，Bluetooth 5規格在廣告推送和通道選擇演算法方面皆有所強化，使其可使用比Bluetooth 4更多的射頻(RF)通道。這些增強功能可允許Bluetooth 5裝置未來將可在全球各地使用高於+10dBm的傳輸功率，從而提升傳輸範圍並建立更強大的連接。
其中一個新功能是通道選擇演算法#2(CSA#2)，既能提高藍牙無線電的干擾容限，也可以讓無線電限制無線電在高干擾環境中可使用的最小射頻通道數量。將通道的最小數量限制為15時，應可將TX功率增加至+10dBm限制以上。
對傳輸範圍的影響 若要粗略估計無線電的傳輸範圍理論值，最簡單的方法是使用自由空間損耗公式(公式1)：
......................................................公式1
F是頻率(單位為GHz)，D是距離(單位為公里)。然而，此公式並未考慮由多徑傳播(反射)引起的損耗以及天線損耗，因此通常會導致過於樂觀的近似值。
為了得到更逼真的範圍近似值，可假設具有天線(位於地面以上的h公尺)的開放場地，並計算考慮天線損耗和地面反射的傳輸範圍。此近似值將可在開放場地(例如機場)中提供非常精確的範圍估計。平坦地面損耗可使用公式2計算：
......................................................公式2
其中h1和h2分別是天線的高度，k是自由空間波數，而r是天線之間的距離。自由空間損耗和平坦地面損耗之間的差別如圖5所示。
圖5 自由空間損耗與平坦地面損耗
為了進一步簡化，若距離不超過dm，可採用20dB/十倍頻的損耗估計值，若超出此距離，則為40dB/十倍頻，因此得到公式3：
.......................公式3
在公式3中，h1和h2是地面上天線的高度。若將天線放置於更高的位置，即可進一步移動距離dm，進而增加傳輸範圍，反之亦然。
在典型的藍牙應用中，連結遠端所在的方向未明確指定，因此天線的增益在估計傳輸範圍時並不相關。天線效率是一個數字，用以說明與饋入天線的RF能量相較，輻射至空中的RF能量的總量。因此，無論裝置的位置如何，效率皆能提供較準確的平均傳輸範圍估計值。透過最佳的天線設計，可達到-1dB的天線效率。
實際上，天線效能與印刷電路板(PCB)和天線的機械設計有極大的關聯。採用良好天線設計的典型效率為-5dB。實際上，在天線效率不超過-8dB的極小型設計中，天線的實體尺寸和印刷電路板設計的尺寸也會對天線效率有所影響(表4)。
改善廣告推送資料集 八倍長距離廣告推送
信標是小型藍牙發射器，可將資料傳送至範圍內的任何其他支援低功耗藍牙技術的裝置，如智慧型手機和平板電腦。信標使其可將簡訊推送至這些裝置，並與其進行簡單的通訊。信標目前通常應用於零售業廣告、室內定位及資產追蹤。信標已迅速成為藍牙最成功的使用案例之一，且估計將會繼續快速成長。分析師預測到2021年前信標出貨量將超過五億個。
Bluetooth 5規格的主要改善之一是藍牙廣告(信標)的運作原理，與舊版規格相較，新規格相包含信標功能的重大更新。這些改善不僅允許開發出更多進階和智慧型的信標，而且還可使用全新的使用案例和應用，如透過藍牙廣告的單向資料串流。以下為藍牙廣告功能最重要變更的簡要介紹。
廣告推送資料集和掃描請求事件報告 Bluetooth 5廣告推送的基本改善之一是廣告推送資料集功能，允許單一Bluetooth 5裝置以獨特的時間間隔和廣告資料傳送多個個別廣告資料集。例如，這可使單一藍牙信標同時傳輸蘋果(Apple) iBeacon和Google Eddystone信標。
Bluetooth 5相容廣告商現在也可偵測遠端裝置何時進行掃描要求，並向應用層級報告要求。應用可利用此功能偵測遠端裝置是否已收到其傳送的廣告封包之一。這在包括降低功耗等數方面有所助益，因為廣告商將能偵測遠端裝置已接收到所送的廣告封包並可停止廣告。
次要廣告通道 Bluetooth 4裝置使用三個廣告通道來推送裝置的狀態、開啟連接或廣播資料。單一廣告封包中的有效負載限制於三十一個位元組。單一128位元服務通用唯一識別碼(Universally Unique Identifier, UUID)可能會消耗大部分廣告有效負載，對於某些應用(如進階信標)而言，這將會是一個限制。
Bluetooth 5對於此項限制已做出重大的變更。首先，三個廣告通道將維持與Bluetooth 4完全相同，以提供向後相容性和互通性，但現在稱為主要廣告通道。除了三個主要廣告通道外，Bluetooth 5裝置可以使用其餘的三十七個資料通道中的任何一個作為次要廣告通道來播放更多資料並分擔主要通道的負載。表5為Bluetooth 4和Bluetooth 5廣告推送通道方案之間的差異總結。
次要廣告推送封包 除了新的廣告通道外，Bluetooth 5還引入一種名為ADV_EXT_IND的全新廣告封包類型。此封包可以在主要廣告通道上傳送，並指示可透過次要廣告提供額外的資料。ADV_EXT_IND封包包含次要廣告的相關資訊，例如在哪個通道上發生廣告、何時發生，以及將使用哪個Bluetooth PHY。
在最簡單的使用案例中，AUX_ADV_IND封包在包含附加廣告有效負載的次要廣告通道上傳送(圖6)。 AUX_ADV_IND封包可包含最多255個位元組的有效負載。
若廣告商希望傳送多於一個AUX_ADV_IND封包可包含的資料，則可使用AUX_CHAIN_IND封包鏈接多個次要廣告(圖7)。AUX_CHAIN_IND封包也可包含指向附加AUX_CHAIN_IND封包的指標，以傳送超過255個位元組的廣告有效負載。
圖6 使用包含廣告推送資料的ADV_EXT_IND PDU和AUX_ADV_IND PDU的廣告推送事件
圖7 使用AUX_CHAIN_IND提供額外的廣告資料
定期廣告推送
Bluetooth 5廣告能力的另一項改善則稱為「定期廣告推送」的模式。顧名思義，定期廣告推送使廣告商能定期地以固定的時間間隔傳送變化的廣告資料，且有一或多個掃描器可以接聽。使用ADV_EXT_IND封包指示定期廣告模式，該封包會指向AUX_ADV_IND封包，其中包含有關定期廣告模式的實際資訊，如間隔、跳頻序列、廣告商地址等。廣告商亦將以識別的間隔傳送包含實際定期廣告資料的AUX_SYNC_IND封包(圖8)。
圖8 定期廣告推送
廣告商將定期傳送新的ADV_EXT_IND封包，以便新的掃描器可與資料流同步，或現有的掃描器可繼續遺失的同步作業(表6)。
擁抱Bluetooth 5 新規手機/平板電腦出列
第一款支援Bluetooth 5的手機和平板電腦已在2017年上市，一般而言，在新藍牙規格發表後的2至4年內，市場上的大多數手機皆會支援新的標準。在撰寫本文時，市場上第一款支援Bluetooth 5規格的手機是三星Galaxy S8，該手機可支援Bluetooth LE 2M PHY。除了Bluetooth 5規格中的勘誤表，其餘新功能皆是可選功能，建議諮詢製造商或瞭解特定裝置支援哪些Bluetooth 5功能。
搶進智慧家庭物聯網 藍牙使用率日益成長 Bluetooth 5包含多項改善和新功能，使得在產業開始積極朝向物聯網時代發展時，此穩定且成熟的無線標準即已占有先機。Bluetooth 5中引入的改善功能使藍牙裝置在日新月異的智慧家庭、醫療、穿戴式裝置、汽車、信標、定位和其他許多物聯網應用中的使用率日益成長。
芯科科技(Silicon Labs)已陸續推出與Bluetooth 5相容的EFR32 Blue Gecko系統單晶片(SoC)，以支援Bluetooth LE 2M PHY及更多廣告增強功能。最新型EFR32xG13系列產品支援所有Bluetooth 5特性和功能，支援512kB快閃記憶體容量及滿足更長藍牙傳輸距離要求的更高性能PHY。該系列SoC之設計旨在可同時運行藍牙網狀網路和Bluetooth 5協定堆疊，並且支援智慧型手機和藍牙網狀網路連接。
(本文作者皆任職於芯科科技)--
※ 作者: uefangsmith 時間: 2018-05-01 17:24:08
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