深挖BLE Phy：低功耗蓝牙基础

了解不同的低功耗蓝牙 (BLE) PHY 无线电模式、它们的独特特性，以及它们如何影响无线 LE 设备的功耗和范围。在本文中，我们将探讨各种低功耗蓝牙(BLE) PHY 无线电模式。然而，在深入探讨之前，让我们先从物理层或 PHY 层以及该协议层中涉及的内容的基本讨论开始。

PHY 层是低功耗蓝牙等无线通信协议的关键部分（图 1）。

图 1.显示 PHY 层布局的示例协议栈。

对于蓝牙设备，这一层是关于 LE 无线电发射器和接收器如何使用无线电信号发送和接收数字数据的。通常，PHY 层设置重要的规则和属性以确保设备能够有效通信。它涵盖的一些主要方面包括：

• 频带

• 高斯频移键控 (GFSK) 调制方案

• 传输速度

• 功耗

• 接收灵敏度

• 时分

考虑到这些方面，让我们来看看第一个：频段。

Bluetooth LE 通信发生在全球免许可的 2.4 GHz ISM（工业、科学和医疗）频段内。该频段已分为 40 个通道，每个通道 2 MHz 宽（图 2）。

图 2.蓝牙 LR 通信的频谱

此外，其中 37 个通道专用于数据传输和二次广告，而其余三个用作主要广告通道，用于发现和启动设备之间的连接。

所有 LE 无线电发射器和接收器都使用 GFSK 调制方法通过无线电信号发送和接收数据。通常，GFSK 通过根据传输的数字信息改变载波无线电信号频率来对数据进行编码。载波是具有特定频率的连续无线电信号，它作为传输信息的基础。

当需要发送数字“1”时，增加载波频率，当需要发送数字“0”时，减少频率。这些频率变化称为频率偏差。在蓝牙 LE 中，此频移通常约为 ±185 kHz。

现在，让我们谈谈 GFSK 的高斯方面。当我们说“高斯”时，我们指的是高斯滤波器，它用于在编码过程中调整和平滑频率变化。如果没有高斯滤波，频移会很突然，使信号更难传输和准确解码。高斯滤波器消除了这些突然的频率转变。更平滑的频率转换减少了信号失真，使通信更可靠，并有助于节省能源——这些都是设备间低功耗无线通信的关键因素。

在 Bluetooth LE 的物理层中，传输速度以符号（symbols）每秒而不是比特每秒来衡量。这是因为物理层关注的是发送和接收的实际无线电信号，而不是它们所代表的数字位。澄清一下，符号指的是模拟信号的最小单位，而比特代表数字信息的最小单位。

PHY 层还描述了 LE 无线电发射器允许的输出功率水平，它介于 0.01 和 100 mW（或 -20 和 +20 dBm）之间。但是，不同地区的监管机构可能有自己的要求，这些要求可能会取代 Bluetooth SIG 的规范。因此，实施者必须确保他们的设备符合适用于他们计划使用或销售其产品的地区的当地法规。

PHY 层定义的两个附加示例特性是接收器灵敏度和误码率 (BER)。接收器灵敏度衡量接收器可以有效解码的最小信号强度，而 BER 是指接收到的错误比特数与传输的总比特数之比。较低的 BER 表示更可靠和准确的通信链路，因为在传输过程中发生的错误更少。制造商通常将接收器灵敏度指定为实现特定 BER 所需的最小信号强度。通常，当传输包含 37 个八位字节或更少的数据包时，蓝牙核心规范允许最大 BER 为 0.1%。

换句话说，八位字节相当于 8 位。因此，包含 37 个八进制的数据包总共有 37 x 8 = 296 位。在最大 BER 为 0.1% 的情况下，此类数据包中允许的比特错误数将为 296 比特的 0.1%。这意味着每 3 到 4 个 37 个八位字节的数据包最多有一位错误。

所有蓝牙 LE 无线电都是半双工设备，这意味着它们可以传输或接收数据，但不能同时进行。根据 PHY 层，LE 无线电应使用时分双工 (TDD) 方案来模拟全双工系统的行为。在 TDD 中，设备在同一频段内的发射和接收模式之间快速切换，每种模式使用单独的时隙。该技术允许在设备之间进行持续的双向通信，同时仍作为半双工设备运行。

上面提到的这些特性只是蓝牙规范中的一小部分。如需全面了解，请参阅完整的蓝牙规范文档。

Bluetooth LE PHY 符号率模式——1M 和 2M

Bluetooth LE 技术提供多种 PHY 无线电模式，每种模式都有其独特的优势和局限性。让我们仔细看看这些模式中的每一个。

1M PHY 模式是标准的蓝牙 LE 无线电模式，自蓝牙 LE (v4.0) 诞生以来就一直存在。它以每秒 1 兆符号 (Msym/s) 的符号速率运行，这意味着每个有效载荷位仅需 1 微秒即可传输。

每个蓝牙 LE 设备都必须支持 1M PHY 模式，使其成为唯一完全向后兼容不支持BLE 5 的BLE 设备的模式。它还被视为比较其他 PHY 模式的基准。它提供了功耗和范围的良好平衡，使其适合大多数日常应用。1M PHY 模式始终是连接两个蓝牙 LE 设备时的默认起点。从那里，如果两个设备都支持其他模式，则对等方可以请求切换到更高级的模式以满足特定要求。

下面是这种模式的一些优点。

1M模式的优点：

• 低功耗

• 兼容所有蓝牙 LE 设备

• 2M—概述、用例和优势

随蓝牙 5.0 引入的 2M PHY 模式提供两倍于 1M PHY 模式的数据速率，以 2 Msym/s 运行。这意味着每个有效载荷位仅需 0.5 µs 即可传输。2M 模式允许更快的数据传输，这可以减少活动无线电通信期间的功耗，特别是对于更长的数据传输，其中与协商切换到该模式相关的开销成为整个通信的可忽略部分。

下面我们将概述一些一般用例和这种模式的优势。

2M 模式的理想用例：

• 固件更新等高吞吐量应用程序

• 缓冲传感器等大数据量应用

2M模式的优点：

• 更快的数据传输

• 更短的通讯时长，降低功耗

• 提高频谱效率

蓝牙 5.0 中引入的编码 PHY 模式旨在扩展蓝牙 LE 通信的范围和稳健性。编码 PHY 模式使用前向纠错 (FEC) 来增强嘈杂环境中的链路可靠性。该技术允许接收器检测并纠正接收到的数据中的错误，而无需请求重传。FEC 算法在传输前向原始数据添加冗余位，称为“奇偶校验位”。然后，接收器可以使用这些奇偶校验位来识别和纠正错误，直至达到一定限度。

与 1M PHY 相比，编码 PHY 以降低吞吐量和增加功耗为代价提高了 BLE 的可靠性。编码 PHY 模式的两种变体是编码 S2 和编码 S8。S2 和 S8 之间的主要区别在于使用的编码方案。

下面我们将简要介绍每种编码方案。

在编码的 S2 中，数据有效载荷用两个符号编码，这意味着为有效载荷数据的每一位传输两个符号。换句话说，与 1M PHY 模式相比，数据速率减半。这种编码方案提供了大约两倍于 1M PHY 模式范围的扩展范围，同时牺牲了一些数据吞吐量。

• 数据速率降低 2 倍（与 1M PHY 相比）

• 射程增加 2 倍

• 使用 2 符号编码——因此被称为 S2

• 与 1M 和 2M PHY 相比吞吐量更低

编码 S8 将 FEC 提升到另一个级别。它使用八符号编码方案，这意味着八个符号代表传输过程中有效载荷数据的每一位。与 1M PHY 模式相比，这种编码导致数据速率降低了八分之一。S8 编码的优点是范围更大，大约是 1M PHY 模式范围的四倍（图 3），但代价是数据吞吐量显着降低。

图 3. S2 和 S8 编码的概述

• 数据速率降低 8 倍（与 1M PHY 相比）

• 射程增加 4 倍

• 使用比编码 S2 PHY 更强大的编码和纠错方案

• 使用 8 符号编码——因此被称为 S8

• PHY 模式中吞吐量最低

编码 PHY 模式的理想用例：

• 远程应用

• 工业自动化

• 智能家居

编码 PHY 模式的优点：

• 通讯距离增加

• 改善嘈杂环境中的链路可靠性

• 抗干扰能力强

结合上述对话，表 1 显示了不同模式的细分和比较。

表 1. 1M、2M、编码 S2 和编码 S8 之间的比较。数据使用由蓝牙提供

格拉茨科技大学的研究人员进行了一项研究，以评估 BLE 5 PHY 模式自 2016 年 6 月发布以来的实际性能。

由Michael Spörk领导的团队检查了 2M PHY 的性能，2M PHY 有望使吞吐量翻倍，而编码 PHY（也称为蓝牙远程）旨在提高通信可靠性。

这些实验是在一个空置的大学实验室中使用 Nordic Semiconductor 的nRF52840 DK设备进行的。该设置包括用于所有四种 PHY 模式的 BLE 客户端和外设，以测量不同配置下的功耗、吞吐量和可靠性。

正如预期的那样，2M PHY 模式由于其快速数据速率而产生最低的平均功耗。然而，编码的 S8 PHY 表现出最高的功耗，主要是因为其编码方案的开销。与 1M PHY 模式相比，2M PHY 的功耗降低了约 8%，而编码 S2 和 S8 PHY 的功耗分别增加了约 61% 和 70%。这些结果的细分如图 4 所示。

图 4.具有不同 PDU 长度和 PHY 模式的 BLE 从设备的平均功耗，使用 125 毫秒的固定连接间隔。

在吞吐量方面，2M PHY 提供了最高的性能，达到了 1M PHY 模式吞吐量的 178% 到 212%，有效地将其容量翻了一番。相反，编码的 S8 PHY 表现出最低的吞吐量。

该研究还通过测量不同链路质量的数据包接收率 (PRR) 来评估通信可靠性。2M PHY 的 PRR 最低，而编码的 S2 和 S8 PHY 由于其编码方案而显着提高了链路质量较差的可靠性。

最后，研究人员评估了四种 PHY 模式在 Wi-Fi 干扰下的稳健性。正如预期的那样，编码的 S8 PHY 模式提供了最高的 PRR 和可靠性。在 Wi-Fi 干扰下，编码的 S2 和 S8 PHY 保持几乎 100% PRR，而 2M PHY 对于 5 mW 的 Wi-Fi 传输功率仅管理 54% PRR（图 5）。

图 5.不同 PHY 模式在不同衰减水平下的数据包接收率。

这些研究人员还发现了一些关于链接质量的有趣内容。PHY 模式的最佳选择取决于连接质量。当连接稳定且干扰较低时，2M PHY 模式是最大化数据吞吐量和能效的最佳选择。其更高的数据吞吐量允许比其他 PHY 模式更快、更节能的通信。

然而，当连接质量差时，数据包经常被破坏。在这种情况下，编码的 S8 PHY 模式变得更合适，因为它可以在不重传的情况下恢复大多数损坏的数据包，因此更节能。有趣的是，在 -10 dBm 和 -15 dBm 衰减之间有一个小的过渡区域，其中 1M PHY 模式在功耗方面略优于其他 PHY 模式。

在为您的应用选择最佳蓝牙 LE PHY 模式时，请考虑以下因素：

• 数据速率要求：选择满足您的数据吞吐量需求的 PHY 模式。2M 提供最高吞吐量，而编码 S8 提供最低吞吐量。

• 范围要求：如果远程通信至关重要，则编码 PHY 模式可能更合适。

• 可靠性要求：确定您的应用所需的可靠性级别，并考虑提高可靠性的 PHY 模式。

• 功耗：考虑设备的功率限制并选择能提供功率效率适当平衡的 PHY 模式。2M PHY模式最节能，而coded S8 PHY模式功耗最高。

• 链路质量：评估应用环境的典型链路质量，并选择在这些条件下性能最佳的 PHY 模式。

• 兼容性：确保所选的 PHY 模式与您打算与之通信的设备兼容。通常，1M 是强制性的，而 2M 和编码 PHY 模式是可选的。

总的来说，选择正确的BLE PHY 模式通常涉及数据速率、范围和功耗的权衡。通过了解应用程序的具体要求，您可以找到实现最佳性能的最佳平衡点。最后，您需要决定什么对您的特定应用程序更重要：使数据传输速度提高一倍或大大提高连接的可靠性。如果您的应用程序需要高数据吞吐量，您可以选择 2M PHY 模式，尽管它具有更高的功耗和更小的范围。另一方面，如果远程通信是更迫切的需求，那么编码 PHY 模式可能更适合，尽管它们的数据速率较低。

最后要考虑的一件事是链接质量。链路质量会影响您对 PHY 的选择，因为它会直接影响有效数据吞吐量和功耗。在良好链路质量条件下运行良好的 PHY 模式在低质量环境中的性能可能与预期不同。

总之，Bluetooth LE 提供多种 PHY 模式，使其适用于更广泛的应用。了解每种 PHY 模式的优缺点有助于您选择最佳选项，根据您的特定需求平衡速度、距离和电池使用量。随着蓝牙 LE 技术的不断改进，我们可以期待未来无线设备的性能和效率会更高。

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