蓝牙 - 关于5.0版本的一些解释

一旦你剥去所有的炒作和公关语言，蓝牙5的真相是什么？它更快吗？它有更好的传输距离吗？让我解释一下。

蓝牙是那些我们现在认为司空见惯的技术之一。自1990年代中期问世以来，它已成为一项基本的无线技术，不仅适用于智能手机，而且适用于平板电脑、笔记本电脑、台式机等。

蓝牙有两种类型："经典 "和 "低功耗"。前者是使我们的无线键盘和鼠标，以及无线耳机和扬声器得以实现的蓝牙。后者，即蓝牙低功耗（BLE）使用的功率要小得多，是为医疗保健、健身和信标等领域设计的。这就是为什么像Fitbit Charge 2这样的可穿戴设备使用BLE而不是蓝牙经典。

2016年夏天，蓝牙特别兴趣小组（Bluetooth SIG）宣布了蓝牙5，之后不久，我做了一个关于蓝牙5的解释视频。从那时起，新的规范已经正式发布，该技术开始出现在开发板和消费小工具中，最引人注目的是Galaxy S8。

由于蓝牙5可能会在未来几年内成为事实上的蓝牙版本，我认为现在测试一下它，了解它的传输距离和速度的真相很有必要。为了做到这一点，我从北欧半导体公司获得了两块蓝牙5 nRF52840开发板。这两块板子带有蓝牙5协议栈和一个时钟频率为64MHz的32位ARM Cortex-M4F微控制器。

这基本上意味着你可以为板子写C程序来测试蓝牙5，这就是我所做的。为了节省时间，我从北欧公司提供的蓝牙吞吐量程序的例子开始，然后根据我的特殊需要对其进行调整。

这些板子支持三种类型的蓝牙连接。BLE 4.x、蓝牙5 2 Mbps和蓝牙5 Coded(长距离通信)。第一种连接符合当前的蓝牙低功耗规格书，也就是BLE 4.x。它被称为BLE 1 Mbps连接，因为这是在添加任何协议开销之前的最低水平或最底层的大致速度。

第二种是蓝牙5新带来的的更快的通信速度。在最低水平下，它的额定速率是2Mbps。第三种是为蓝牙5引入的一种新的特殊连接，其目的是提供长距离蓝牙连接，但比特率较低。换句话说：距离优先而不是速度。

	BLE 4.2	BLE 5	BLE 5 Long Range (S=2)	BLE 5 Long Range (S=8)
Connection speed	1 Mbps	2 Mbps	1 Mbps	1 Mbps
Network data rate	1 Mbps	2 Mbps	500 Kbps	125 Kbps
Data throughput	800 Kbps	1400 Kbps	380 Kbps	109 Kbps
Error Correction	None	None	FEC	FEC
Bluetooth 5 Requirement	Mandatory	Optional	Optional	Optional

速度加倍

蓝牙5将带宽增加一倍的方式是将传输速度增加一倍。因此，以前一个数据包（实际上价值251字节）是在设定的时间帧内（2120微秒）发送。现在，通过蓝牙5，同样的数据可以在1060微秒内发送。然而，你并没有完全得到双倍的数据速率，因为帧间空间--即两个连续数据包之间的时间间隔--与蓝牙4保持一致。这意味着数据的发送速度更快，但数据包之间的间隙并没有缩短。当你做数学计算时，这意味着蓝牙5实际上比BLE 4.2快1.7倍左右。

蓝牙5实际上比BLE 4.2快约1.7倍。

编码和前向纠错(Coded and Forward Error Correction)

蓝牙5提供了一种特殊的连接，是为长距离通信而设计的。因此，这不是用于蓝牙扬声器或将你的智能手表与你的智能手机同步，而是用于物联网。物联网的力量是能够将廉价的模块放置在建筑中（无论是住宅还是工业）或在开放空间（公园或农田），并收集数据。这些数据可以是任何东西，从温度或湿度，到运动探测器或交通监视器。这种可能性是无穷无尽的。但问题是，这些传感器需要有电源，它们需要将数据发送到中央枢纽或网关。如果设备被插入主电源，那么电源就不是问题，也许设备会使用Wi-Fi进行通信。但对主电源和Wi-Fi覆盖的要求限制了这类设备的范围和潜力。

这就是蓝牙5长距离的作用。首先，由于该设备使用蓝牙，它不一定需要主电源。其次，它不需要结合Wi-Fi，甚至不需要Wi-Fi覆盖。相反，这些传感器可以放置在只有电池供电的地方，使用蓝牙5长距离(Bluetooth 5 Long Range)与网关通信。

但是，如何才能在不增加功耗的情况下增加范围呢？一种方法是降低数据速率。这基本上意味着，在相同的电源水平下，发送的每一位数据都会消耗更多的能量。第二个技巧是使用纠错。

为了使连接可靠，它必须确保当一个数字被发送时，另一端也能收到相同的数字。如果一个 "1 "在某处被改成了 "0"，就是一个巨大错误。

蓝牙5使用基于汉明码(Hamming codes)的强大纠错系统，汉明码是理查德-汉明（Richard Hamming）在20世纪50年代发明的纠错码系列。它被称为前向纠错（FEC / Forward Error Correction），这个系统将单个数字 "1 "或 "0 "替换成多个数字来组成一个字(word)。

让我们举一个非常简单的例子，不过不是一个在现实世界中有实际使用的例子，但它是一个很好的说明。一个系统可以不传送 "0"，而是传送 "0000"，不传送 "1"，而是传送 "1111"。这显然会比较慢，但它提供了一些弹性。如果信息在途中被破坏，比如说被破坏成'0001'，那么你可以确信它实际上是'0000'。

同样，如果它从'1111'被改成'1011'，那么你仍然可以确定它本来是'1'。然而，如果收到'1010'，那么很明显有两个比特被改变了，但是是'0000'被改变为'1010'还是'1111'被改变为'1010'？好消息是，有一整个计算机科学领域致力于研究检测传输中错误的最佳方法，并研究如何纠正错误。

真实世界

为了在现实世界中测试蓝牙5，我拿着我的两块北欧半导体开发板，在不同的情况下测试吞吐速度。首先，我测试了我家周围的吞吐量。一块板子一直连接到我的电脑上，而另一块板子则被移到不同的房间里，越移越远。在第二个测试中，我把我的整个装置带到了当地的一个购物中心，测试了可能的距离，特别是使用蓝牙5长距离（Bluetooth 5 Long Range）（即Coded）的工作距离。

房间测试

这是我的房子的一个非常基本的布局：

左下角的蓝色圆圈代表发送器（与我的电脑相连），而蓝色的星星代表房子周围不同的接收器位置和墙壁的大致位置。我家的墙是用石膏板（或干墙）覆盖的简单隔断墙。你会发现，较厚的墙壁、混凝土或砖墙，以及有铁制品的墙壁，会改变信号的传播方式。

当板子相邻时，我能够使用蓝牙5获得1337 Kbps的吞吐量（即每秒1337千比特，相当于每秒167千字节），蓝牙4.2获得746 Kbps。下面是一个表格，说明当我把板子越移越远时，比特率是如何变化的：

Point	Distance	Walls	Bluetooth 5 throughput	Bluetooth 4.2 throughput
1	5m/16ftt	1	1215	672
2	11m/36ft	2	900	629
3	18m/59ft	4	470	386
4	11m/36ft	2	584	533

如果你看一下上表中的数据，你会注意到几件事。首先，蓝牙5在每种情况下都比蓝牙4快。Good! 其次，对于较近的距离，蓝牙5的速度明显比BLE 4.2快：1125 Kbps对672 Kbps的点1，900 Kbps对629 Kbps的点2。

随着距离的增加，与BLE 4.2相比，普通蓝牙5的优势就会减弱。

第三，吞吐量随着距离的增加而下降。最后，随着距离的增加，与BLE 4.2相比，蓝牙5的好处减少了（目前忽略了长距离模式）。

你可能期望第2点和第4点的吞吐量是一样的，但显然它们不是。我的猜测是，家具的数量和所述家具的布局是不同的。当然，到2号点的信号比到4号点的信号有较少的障碍物路径。

购物中心测试

我的下一个测试没有上面的家庭测试那么科学，我真的建议你观看视频来了解这些测试是如何进行的。由于我是在购物中心，我无法拿出卷尺开始计算距离，但是我学到了一些重要的东西。

蓝牙在没有障碍物（墙壁、家具等）的情况下效果最好--在美食广场，这基本上是一个有桌子和椅子的大型室内开放空间，蓝牙的性能令人印象深刻。我的吞吐量超过450Kbps，240Kbps，取决于距离。

金属是最坏的--当尝试从购物中心内部到外部的测试时，虽然我有视线穿过大窗户，但性能很差。我把这归因于窗户的大型金属框架和其他金属元素，包括家具。

使用蓝牙5长距离（编码），我成功地连接了100多米--我觉得如果我更努力地寻找理想的条件，情况会更好。

使用蓝牙5长距离（编码），在数据传输率下降的情况下，我实现了超过100米的连接。

总结

从我的测试中可以看出，蓝牙5已经兑现了其更高吞吐量的承诺。当两个设备在几米范围内时，速度可能超过1000Kbps，在信号覆盖范围的一半左右，蓝牙5仍然比BLE 4.2快。在范围的最边缘，速度差异明显下降，根据我读到的一些数学计算，蓝牙5的理论范围（使用2 Mbps连接类型）实际上比BLE 4.2短。然而，蓝牙5确实引入了新的长距离（编码）连接类型，提供更大的范围，但吞吐量较小。

值得注意的是，在蓝牙5中，对2 Mbps和编码连接的支持是可选的。唯一强制的连接是蓝牙4中的1 Mbps连接速度，然而，即使蓝牙5的设置只支持1 Mbps的连接速度，它仍然需要支持新的协议元素，比如更大的广播容量（从31字节增加到255字节）。

长距离（编码）连接的可能性是令人感兴趣的，肯定会有很多物联网和家庭自动化应用。我希望进入我们智能手机的蓝牙5堆栈将包括蓝牙5的所有优点，而不是没有2 Mbps连接类型或编码连接的削减版。

现在你已经看到了蓝牙5的作用，你对在即将到来的智能手机中看到它感到兴奋吗？在物联网和智能家居设备中呢？

总结

从我的测试中可以看出，蓝牙5已经兑现了其更高吞吐量的承诺。当两个设备在几米范围内时，速度可能超过1000Kbps，在信号覆盖范围的一半左右，蓝牙5仍然比BLE 4.2快。在范围的最边缘，速度差异明显下降，根据我读到的一些数学计算，蓝牙5的理论范围（使用2 Mbps连接类型）实际上比BLE 4.2短。然而，蓝牙5确实引入了新的长距离(Long Range)（编码Coded）连接类型，提供更大的范围，但吞吐量较小。

长距离（编码）连接的可能性是令人感兴趣的，肯定会有很多物联网和家庭自动化应用。我希望我们智能手机配备的蓝牙5堆栈将包括蓝牙5的所有优点，而不是没有2 Mbps连接类型或编码连接的削减版。

现在你已经看到了蓝牙5的作用，你对在即将到来的智能手机中看到它感到兴奋吗？在物联网和智能家居设备中呢？

参考：

The truth about Bluetooth 5 - Gary explains - Android Authority

https://www.androidauthority.com/bluetooth-5-speed-range-762369/

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