经 Nordic 实测：蓝牙长距离传输

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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。

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。

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！

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。

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。

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。

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：