经 Nordic 实测:蓝牙长距离传输

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https://blog.csdn.net/weixin_47456647/article/details/155188246?spm=1011.2415.3001.5331

(这篇 2018 年首次发布的热门文章中,我们通过一个可复现的距离测试,揭秘蓝牙低功耗的长距离传输能力。)

在蓝牙 5 推出前,提升蓝牙低功耗(BLE)产品传输距离的唯一方法是:提高无线电发射功率。但这么做会对产品的功耗产生负面影响 ------ 高峰值电流可能导致某些电池类型无法使用,进而对应用造成尺寸或成本限制。

蓝牙 5 规范带来了多项改进,包括 125kbps 或 500kbps 的 "长距离模式":可延长传输距离,但代价是数据速率降低、平均功耗增加。最大输出功率也从 + 10dBm 提升至 + 20dBm,进一步拓展了潜在传输距离。

蓝牙长距离传输实测

由于大家对这项功能存在诸多疑问与困惑,我们的开发团队使用 Nordic Semiconductor nRF52840 Rev 1 进行了测试并记录了结果。

理解路径损耗

为了理解实验背景,你需要了解一点路径损耗 ------ 它是无线电波在传播过程中,功率密度(信号强度)随距离增加而产生的衰减。

无线电波的功率密度遵循平方反比定律:理论上,当从 "单点" 辐射(即天线尺寸远小于传播距离)时,距离加倍会导致接收端的能量密度降至 1/4。但现实中,降雨、湿度、信号反射等因素会进一步削弱信号,导致路径损耗更高。

反之,由于成功接收信号需要最低能量密度,通过增加输出功率可延长传输距离 ------ 这能在更远距离上维持最低能量密度!

蓝牙 5 长距离传输简概

长距离功能提供了一种无需增大输出功率即可延长距离的方法:在硬件(物理)层的传输中应用前向纠错编码(FEC),即 "编码 PHY"。当然,这是以牺牲数据速率为代价的。

这相当于通过调整发射器来提高接收器的灵敏度:理论上,蓝牙长距离模式下,125kbps 编码 PHY 相比 1Mbps 模式可提升 12dB 灵敏度,对应传输距离增至 4 倍;实际中,支持长距离的标准蓝牙设备通常能提升约 8dB,距离可略多于翻倍。来看我们的测试结果如何。

测试流程说明

长距离测试的场地会影响信号传播特性与路径损耗,我们选择在户外测试以简化条件 ------ 室内存在过多限制因素,难以从结果中得出有效结论。

我们使用 Nordic Semiconductor nRF52840 Rev C 进行距离测试,同时采用 1Mbps PHY 与 125kbps 编码 PHY(长距离模式),以最小化无线电信号中随机变量的影响,专注于长距离功能相比 1Mbps PHY 的提升效果。

本次测试聚焦于传输距离而非功耗,因此并未针对能效优化:我们尽量让无线电保持活跃,并使用 LED 作为可视化指示器。

测试结果

  • 非连接状态(发射功率 0dBm):1Mbps PHY(0dBm 发射)的传输距离为 654.92 米;编码 PHY(0dBm 发射)的距离为 1300 米 ------ 编码 PHY 使距离翻倍。
  • 连接状态(发射功率 0dBm):1Mbps PHY(0dBm 发射)的传输距离为 681.9 米;编码 PHY(0dBm 发射)的距离为 1300 米 ------ 连接状态下,编码 PHY 相比 1Mbps 模式的距离提升接近翻倍。

例如:测试长距离时,我们的信号需跨越海水传播;而 1Mbps 模式的测试则是在陆地上完成 ------ 也就是说,测试条件并非完全一致。因此我们预期距离提升 2.5 倍,但实际略低于 2 倍。这类环境因素是我们未来测试中会关注的点,以确认是否存在特定原因或规律。

测试结论

  • 采用 1Mbps PHY 时,扫描器日志显示可接收到信号强度约 - 93dBm 的广播包;采用 125kbps 编码 PHY 时,扫描器仍能检测到信号强度约 - 101dBm 的广播包 ------ 无线电灵敏度的提升表明长距离功能有效。
  • 灵敏度提升 6dBm 时,理论上距离应翻倍;但实际中可能无法实现 100% 的提升,因为这取决于多种环境因素。

距离提升还取决于无线电传播特性(这并非蓝牙 5 功能能控制的):室内路径中的材料会削弱信号。但无论如何,相比 1Mbps PHY,你仍能看到距离的增加 ------ 只是具体增幅无法一概而论。

* 注:

  • 非连接状态:建立连接过程中,或作为信标使用时。
  • 连接状态:处于已建立的 BLE 连接中。
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