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关于蓝牙5 - Gary解释的真相

一旦你剥离了所有的炒作和PR语言,就是蓝牙的真相。它是更快的吗?它有更好的范围吗?让我解释。
经过加里SIMS.
2017年4月14日

蓝牙是我们现在认为理所当然的技术之一。自20世纪90年代中期引进以来,它已成为一项基本的无线技术,不仅适用于智能手机,而且是片剂,笔记本电脑,台式机等。

蓝牙有两种口味:“经典”和“低电极”。前者是蓝牙,使我们的无线键盘和小鼠以及无线耳机和扬声器。后者,蓝牙低能量(BLE)使用较少的功率,专为医疗保健,健身和信标等领域而设计。这就是为什么可穿戴Fitbit Charch 2.使用BLE而不是蓝牙经典。

去年夏天蓝牙特殊兴趣小组(蓝牙SIG)宣布蓝牙5我不久之后我做了一个加里解释了关于蓝牙5的视频。从那时起,新规范已正式发布,该技术开始出现在开发板和消费者小工具中,最重要的是Galaxy S8.

由于蓝牙5可能成为未来几年蓝牙的脱磁性版本,我认为现在测试它并发现其范围和速度的真相。为此,我举办了来自北欧半导体的两个蓝牙5个NRF52840开发板。这两块板配有蓝牙5协议栈,32位ARM Cortex-M4F微控制器,以64 MHz时钟。

这基本上意味着您可以为电路板编写C程序来测试蓝牙5,这是我所做的。为了节省时间,我开始使用北欧提供的蓝牙吞吐量程序,然后为我的特定需求调整它。

这些板支持三种类型的蓝牙连接:BLE 4.x,蓝牙5 2 Mbps和蓝牙5编码。首先是当前蓝牙低能量规范,即4.x.x.它称为BLE 1 Mbps连接,因为在添加任何协议开销之前的最低级别(层)的其近似速度。

第二种是蓝牙5附带的新更快连接。它被额定在2 Mbps,再次处于最低级别。第三个是为蓝牙5引入的新特殊连接。它的目的是提供长距离蓝牙连接,但具有低比特率。换句话说:范围而不是速度。

BLE 4.2 5. BLE 5长范围(S = 2) BLE 5长范围(S = 8)
连接速度
1 Mbps.
2 Mbps.
1 Mbps.
1 Mbps.
网络数据速率
1 Mbps.
2 Mbps.
500 Kbps.
125 kbps.
数据吞吐量
800 kbps.
1400 Kbps.
380 kbps.
109 kbps.
纠错
没有任何
没有任何
FEC.
FEC.
蓝牙5要求
强制的
可选的
可选的
可选的

加倍速度

蓝牙5加倍带宽的方式是通过加倍传输速度。因此,先前在设定的时间帧(2120微秒)中发送了一系列数据(实际上是251字节)。现在,使用蓝牙5,在1060微秒中发送相同的数据。However you don’t quite get a doubling of the data rate as the inter-frame space – that is, the time interval between two consecutive packets – remains the same as with Bluetooth 4. What this means is that the data is sent faster, but the gap between the packets has not been shortened. When you do the maths that means that Bluetooth 5 is actually about 1.7 times faster than BLE 4.2.

蓝牙5实际上比BLE 4.2快约1.7倍。

编码和前向纠错

蓝牙5提供特殊的连接,专为长途通信而设计。所以这不是蓝牙扬声器或用智能手机同步你的SmartWatch,这是为了物联网。IOT的力量将是将廉价模块放在构建(成为住宅或工业)或开放空间(公园或农民领域)和收集数据的能力。该数据可以是温度或湿度的任何东西,用于移动探测器或交通监视器。可能性是无止境。但问题是这些传感器需要具有电源,并且需要将数据发送到中心集线器或网关。如果设备插入电源电力,则电源不是问题,也许设备将使用Wi-Fi进行通信。但是电源电力和Wi-Fi覆盖的要求限制了此类设备的范围和潜力。

这是蓝牙5长距离的地方。首先,由于设备使用蓝牙,因此不一定需要电源电源。其次,它不必包含Wi-Fi甚至需要Wi-Fi覆盖。相反,这些传感器可以只用电池供电,并使用蓝牙5长距离与网关进行通信。

在不增加功率使用的情况下增加范围的一种方法是降低数据速率。

但是如何在不增加电源使用情况的情况下增加范围?一种方法是降低数据速率。基本上意味着发送的每一位数据都有更多的能量对于相同的功率。第二个技巧是使用纠错。

对于可靠的连接,必须确保当发送数字时,另一端收到相同的编号。如果一个'1'被改为在沿线的某个地方变为“0”,那么一切都可以糟糕的错误。

蓝牙5使用基于汉明代码的强纠错系统,是20世纪50年代理查德汉明发明的纠错码系列。被称为前向纠错(FEC),它是一个系统,其替换单个数字'1'或'0',其中包含构成单词的多个数字。

让我们采取一个非常简单的例子,一个实际上没有在现实世界中使用的例子,但这是一个很好的插图。而不是'0'系统可以传输'0000',而不是'1'它可以传输'1111'。这显然会更慢,但它提供了一些弹性。如果消息在途中损坏,比如向'0001'损坏,那么您可以自信地确实是“0000”的意思。

同样,如果它从'1111'变为'1011',那么您仍然可以确定它是“1”。但是,如果收到'1010',那么很明显,两位已经改变了,但它是'0000'改变为'1010',或者它是'1111'改为'1010'?好消息是,有一整套计算机科学的领域,致力于制定最佳方法,用于检测传输中的错误并求出如何纠正错误。

真实世界

为了在现实世界中测试蓝牙5,我拍了两个北欧半导体开发板,并在不同情况下测试了吞吐量速度。首先,我在我家周围测试了吞吐量。一个板保持联系到我的电脑,而另一个电脑进一步移动到不同的房间。对于第二个测试,我将整个设置到当地的购物中心并测试了可能的距离,特别是使用蓝牙5长范围的工作距离(即编码)。

这是我家的一个非常基本的计划:

左下角的蓝色圆圈代表发件人(连接到我的PC),而蓝色星星在房屋周围显示不同的接收器位置和墙壁的粗糙位置。我家里的墙壁是用石膏板(或干墙)覆盖的简单隔断墙。您会发现,较厚的墙壁,混凝土或砖砌以及墙上的墙壁,将改变信号传播的方式。

当彼此旁边的电路板时,我能够获得1337 kbps的吞吐量(每秒1337千比特,每秒167千字节)使用蓝牙4.2的蓝牙4.2。这是一个表格率如何改变的表进一步和进一步分开:

观点 距离 墙壁 蓝牙5吞吐量 蓝牙4.2吞吐量
1
5M / 16FTT.
1
1215.
672.
2
11M / 36英尺
2
900
629.
3.
18米/ 59英尺
4.
470.
386.
4.
11M / 36英尺
2
584.
533.

如果您查看上面表中的数据,您会注意到一些事情。首先,蓝牙5在每种情况下都比蓝牙4更快。h其次,对于较近的距离,蓝牙5的速度比BLE为4.2:1125kbps,对于点1和900kbps与点2的629kbps与900kbps的672kbps。

随着与BLE 4.2相比,该范围增加了正常蓝牙5的益处

第三,随着距离的增加,吞吐量下降。这对于BLE 4.2和蓝牙5是如此。最后,随着该范围增加了与BLE 4.2相比,蓝牙5的益处减少(忽略了暂时的长距离模式)。

您可能预计吞吐量为2点和第4点相同,但显然他们不是。我的猜测是家具的数量和所述家具的布局是不同的。当然,点2的信号具有比点4的障碍物更少。

购物中心

我的下一个测试比上面的家庭测试不那么科学,我真的建议您观看视频,以获得如何进行这些测试。正如我在购物中心,我无法拿出卷尺并开始计算距离,但是我学到了一些重要的事情:

  1. 蓝牙工作最佳,当没有障碍物(墙壁,家具等) - 在食品苑,这是一个具有桌椅的大型开放空间室内区域,蓝牙的性能令人印象深刻。我的吞吐量超过450 kbps和240 kbps,具体取决于距离。
  2. 金属是邪恶的 - 在尝试从外面的购物中心到外面的测试时,虽然我通过大型窗户的视线,表现不好。我将其归因于窗户的大型金属框架和包括家具的其他金属元素。
  3. 使用蓝牙5长范围(编码)我管理了100多万的连接 - 如果我努力找到理想的条件,我觉得它可能会更好。
使用蓝牙5长范围(编码),其中数据传输速率下降,我管理了超过100米的连接。

包起来

从我的测试来看,很明显,蓝牙5在其高吞吐量的承诺中提供了欠款。当两个器件在彼此的几米范围内,并且在信号覆盖范围的半个点围绕蓝牙5左右速度可能比BLE 4.2更快。在该范围的边缘处,速度差异显着下降,并且根据一些我已经读取的数学计算,蓝牙5的理论范围(使用2 Mbps连接类型)实际上比BLE 4.2更短。但是,蓝牙5确实引入了新的长距离(编码)连接类型,其提供更大范围,但吞吐量较少。

有趣的是要注意,蓝牙5中对2 Mbps和编码连接的支持是可选的。强制性的唯一连接是蓝牙4的1 Mbps连接速度,但即使蓝牙5设置仅支持1 Mbps连接速度,它仍然需要支持像更大的广播容量(从31个字节增加到255字节)这样的新协议元素。

长期(编码)连接的可能性是有趣的,肯定会有很多IOT和家庭自动化应用程序。我的希望是,将其进入我们智能手机的蓝牙5堆栈将包括蓝牙5的所有优良性,而不是没有2 Mbps连接类型或编码连接的剪切版本。

现在你已经看到了蓝牙5的行动,你很高兴看到它在即将到来的智能手机吗?IoT和智能家居设备怎么样?

加里SIMS.
关于作者 加里SIMS.
加里一直是十多年的技术作家。在此之前,他有超过10年的软件工程师的经验。如果您正在阅读此,您还应该签出Gary解释YouTube频道!