2010 年，低功耗藍牙 （BLE） 被添加到藍牙規范中，以實現設備之間的連接，這些設備只需要在有限的范圍內相互發送幾個字節的數據。與經典藍牙和其他無線技術相比，它專注于消耗更少的功率。隨著物聯網 （IoT） 從概念過渡到執行，BLE 可以在各種應用中找到，包括自動化、遠程控制器、信標、無線傳感器節點等。系統設計人員意識到他們需要傳輸比舊版本 BLE 規范支持的數據更多的數據。此外，更大的范圍將支持自動化、資產跟蹤和無線傳感器節點等新應用。BLE v5.0 試圖解決這些需求以及更多，以使 BLE 對物聯網更加友好。

BLE v5.0 中引入了幾個關鍵更新：

2 Mbps 物理層

更長的射程

增加最大允許傳輸 （TX） 功率

廣告附加信息

2 Mbps 物理層

自成立以來，BLE 規范不斷發展以提高吞吐量（圖 1）。但是，v5.0 通過添加 2-Mbps PHY 功能實現了重大更改，而舊版本中的 1-Mbps。

【圖1 | 吞吐量和BLE規范］

從圖 1 中可以看出，與使用 1-Mbps PHY 的 V4.2 相比，BLE v5.0 中對 2-Mbps PHY 的更改不會轉化為 2 倍的吞吐量。要理解這一點，請考慮鏈路層數據包結構（圖 2）。對于 1-Mbps PHY，前導碼為 1 個字節，對于 2-Mbps PHY，前導碼為 2 個字節。因此，當通過 2-Mbps PHY 發送數據時，每個數據包需要額外發送 1 個字節。這意味著每個數據包額外增加 4 μs。

【圖2 | 鏈路層數據包結構］

接下來，讓我們看看 BLE v4.2 和 v5.0 之間的數據傳輸差異（圖 3）。從 1-Mbps PHY 到 2-Mbps PHY，幀間間隔 （T_IFS） 保持不變。由于上述額外的 1 字節要求，前導碼占用相同的時間。基于此，兩者的吞吐量可以計算如下：

BLE v4.2 最大吞吐量 = 251 / （80 + 150 + 2120 + 150） = 803 kbps

BLE v5.0 最大吞吐量 = 251/ （44 + 150 + 1064 + 150） = 1430 kbps

【圖3 | 使用 BLE v4.2 與 BLE v5.0 進行數據傳輸］

因此，與 1-Mbps PHY 相比，2-Mbps PHY 的吞吐量僅高出 1.8 倍。2 Mbps PHY 僅支持數據通道，不能被主要廣告通道使用。

使用 2 Mbps PHY 傳輸數據的一個關鍵優勢是傳輸數據所需的功耗較低。使用 2 Mbps PHY，無線電需要在更短的時間內處于活動狀態，因此消耗的電流更少。該器件還可以在深度睡眠模式下花費更多時間（每 251 字節數據傳輸大約 1092 μs），從而進一步降低平均功耗。

將受益于 2-Mbps PHY 的一些應用包括可穿戴設備和遙控器。更快的吞吐量還將支持無線 （OTA） 升級。升級是許多 IoT 應用程序中的一項重要功能，可讓產品保持最新狀態，同時仍保持成功商業產品的上市時間要求。

更長的射程

有限范圍是各種應用的瓶頸，例如工業自動化、家庭自動化和開放環境中的資產跟蹤（例如，田野中的牛）。對更遠距離的支持將在一定程度上幫助解決瓶頸問題。與 BLE v4.2 相比，BLE v5.0 將范圍擴大了 4 倍。BLE v5.0 使用前向糾錯 （FEC） 來檢測和修復通信中的錯誤。FEC 使用冗余位對數據進行編碼，允許檢測和重建丟失的位，但反過來，根據編碼方案將數據速率降低到 125 kbps 或 500 kbps。此外，1-Mbps PHY 用于編碼 PHY，而不是只能用于未編碼 PHY 的 2-Mbps。圖 4 顯示了編碼 PHY 的配電單元 （PDU） 結構。以綠色突出顯示的字段是 v5.0 為遠程引入的新字段。

【圖4 | 未編碼和編碼PHY的鏈路層數據包結構］

在 BLE v5.0 中實現長距離的方式引入了早期版本不存在的挑戰。表 1 顯示了兩種編碼方案的未編碼 PHY 和編碼 PHY 所用時間的比較。

［表 1 | 未編碼和編碼PHY之間的性能比較］

從表 1 中可以看出，與使用 BLE v5.0 傳輸 251 字節數據的未編碼 PHY 相比，以 4X 范圍 （S=8） 傳輸所需的時間大約是 13 倍。當使用 S=2 編碼時，傳輸 251 個字節需要大約 4X 時間。這意味著 4X 和 2X 范圍的無線電功耗分別約為 13X 和 4X。盡管在此實現中峰值功耗沒有增加，但無線電功耗的這種巨大增加使其不適合電池供電的應用。

另一個權衡是，更長的傳輸會在已經很繁忙的 2.4 GHz 頻譜中消耗更多的帶寬。當多個藍牙設備和其他基于 2.4 GHz 無線技術的設備在同一附近運行時，這增加了實現共存的難度。因此，對于許多應用來說，使用外部功率放大器在藍牙規范和國家特定法規規定的限制范圍內增加增益將比使用更長的范圍（即，更短的頻譜時間和更低的平均功率）產生更有效的操作消耗）。當然，外部功率放大器需要額外付費。然而，由于使用外部 PA 與使用編碼 PHY 相比，平均功耗顯著降低，

增加最大允許的 TX 功率

BLE v5.0 支持 20 dBm 的最大低能量 TX 功率，比之前的規范增加了 10 dBm。如果 PA 的增加成本不是問題，那么這是增加設備范圍的最佳選擇，而不是使用編碼 PHY。然而，如前所述，與使用編碼 PHY 來增加范圍相比，使用外部 PA 會降低平均功耗，從而降低運營成本。但是，如果設備太靠近，更高的 TX 功率可能會使其他設備的 RX 飽和。因此，如果設備之間相隔合理的距離，例如在田野中跟蹤牛或在開闊區域部署無線傳感器節點時，此功能將非常有用。請務必牢記設備運行所在國家/地區的監管要求。即使 v5.0 規范允許 TX 功率為 20 dBm，

廣告附加信息

BLE v5.0 中的廣告功能新增了兩個關鍵功能。首先是負載大小的增加，從 31 字節增加到 251 字節。這允許在更少的數據包中廣播更大的有效載荷，因此在功耗方面更有效。但是，此功能可能僅限于特定應用程序，例如使用信標在購物中心的廣告包中發送 URL。因此，短期內該功能可能無法在大多數設備中實現。

第二個增加是使用數據通道進行廣播的能力。這些渠道稱為輔助廣告渠道，而專用廣告渠道稱為主要廣告渠道。為了支持這個特性，v5.0 支持一個新的 Adv PDU，ADV_EXT_IND，它告訴數據通道上是否有任何數據包。舊設備（v4.2 和更早版本）會忽略此 PDU 類型。如果設備希望將數據廣播到基于舊版本以及 v5.0 的設備，則需要廣播兩次數據——首先使用主通道，然后使用數據通道。這有效地否定了此功能的目的。唯一實際的用例是觀察者也支持 BLE v5.0。這對于觀察者是未知設備（如手機）的應用程序可能不實用。

藍牙 v5.0 規范已嘗試解決低能耗連接中的各種問題，例如低吞吐量、短距離和有限的廣告功能。與 v4.2 相比，2 Mbps PHY 的引入通過將吞吐量提高 1.8 倍和與 v4.1 相比提高約 6 倍，解決了低吞吐量問題。遠程和廣告擴展功能確實在一定程度上解決了問題，但由于各種限制和副作用，對于許多應用程序可能并不實用。TX 功率的增加可以幫助應用以稍微更高的峰值功率擴大范圍，但代價是增加一個功率放大器。盡管如此，這仍將保持較低的運營成本并簡化共存。

審核編輯：郭婷