首先想說的是，在這個夜晚，Merry Chrismas Eve, buddies and sisters，感謝大家捧場關注，也感謝大家花片刻時間來閱讀我的碎語。

一年又到年終時，回顧今年，是否感慨沒有好好為家人做一餐晚餐，是否在感慨一抬頭已經(jīng)年關而一事無成，是否做了很多項目依然生活拮據(jù)看不到希望....人會迷茫，而迷茫的時候容易輕視自己，我也沒什么良藥治愈，唯有堅持。技術的路是一條苦路...我想在每一周的文章分享一句名言，激勵自己寫更好的文章。 我不鼓勵996加班加點趕項目趕工程，除了工作，我們需要生活。騰出空，去生活，去思考。

第一言 是高中語文老師第一次上課寫在黑板上，背誦了好多年 愕然回首 感同身受.

有志者、事竟成,破釜沉舟,百二秦關終屬楚; 苦心人、天不負,臥薪嘗膽,三千越甲可吞吳.

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上周寫了藍牙52X 數(shù)據(jù)吞吐量，這周聊聊藍牙5重要的4X 遠距離的原理。

我們先談一談無線電傳輸和距離相關的兩大關鍵因數(shù)(因數(shù)不只兩個，這個定性分析兩個和我們息息相關的):

一. 鏈結(jié)預算Link Budget

在部署無線電通信時，鏈路預算(Link Budget)就是指從發(fā)射機開始通過射頻媒介直到接收機之間的所有增益和衰減的總和。鏈路預算計算的目的是確保最終的接收信號強度處于接收機的接收靈敏閾值之上。簡單來說，鏈路預算越大，發(fā)送端和接收端的距離越遠。

Link budget[dB]= TX Power[dBm]- Sensitivity level[dBm]

舉例說明:

以TI CC2640R2F芯片為例，最大TX Power 5dbm, 最大接收靈敏度 -97dBm,根據(jù)上述公式，5 dBm - (-97 dBm) =102 dB。

以Nordic Nrf52840芯片為例，最大TX Power 8dbm, 最大接收靈敏度 -96dBm,根據(jù)上述公式，8dBm - (-96 dBm) =104 dB。

結(jié)論:

鏈結(jié)預算值越大，傳輸距離越遠。

二. 無線電傳輸損耗

1.自由空間損耗

顧名思義，即為無線信號在空氣中傳播的損耗，可以由以下公式得到

F為頻率，單位為G hz,D為發(fā)射端與接收端距離，單位為千米。由該公式可知路損的相關因素分為以下兩個:

1).發(fā)射天線與接收天線間的距離。

2).頻率， 頻率越高路損越大。

2.現(xiàn)實中無線電對地平面損失

自由空間損耗是理想狀態(tài)下無線電的損耗，實現(xiàn)當中還有兩個考慮的因數(shù)，第一，天線損耗；第二，地表對無線的吸收和反射。

在考慮天線損耗和地表對無線的吸收和反射，我們可以概括得出下列公式。

h1和h2為發(fā)射端和接收端對地距離，k為自由空間波數(shù)，r是發(fā)射端和接收端的天線。

繪制自由空間損耗和地平面損失和距離關系的圖如下所示：

在外界條件一致的情況下可以簡化得到下面非常有意義的公式：

該公式的結(jié)論如下：

無線電傳輸距離和發(fā)射端，接收端對地距離成正比，距離地面越高，傳輸越遠。

講完和距離相關的兩大因數(shù)，回到正題：

藍牙5特性二【4X 遠距離】

在4.2及以前的版本中藍牙低功耗在信道傳輸中未使用糾錯編碼技術，標準規(guī)定的基準靈敏度為-70dBm(基本上每一家藍牙芯片廠商都可以做到-90dBm)。藍牙5引入了卷積前向糾錯編碼(Convolutional Forward Error Correction Coding)技術，提高了接收機的抗干擾能力，將接收機的參考靈敏度分別提高到-75dBm (S=2編碼)和-82dBm (S=4編碼),同時提高了接收機的載干比(載干比：C/I=載波信號強度/干擾信號強度)性能。使得在保持TX相同功耗情況下，藍牙的距離提升了4倍，下面來說說如何做到提高接收靈敏度,依靠的就是編碼PHY。

BLE編碼PHY

藍牙5除硬件支持1M,2M PHY，還支持兩種編碼方式的PHY，這兩種編碼方式的PHY是基于1M PHY的基礎，使用1M PHY的物理通道。新的編碼分為兩種，一種編碼PHY為500kbps(S=2)，另外一種編碼PHY是125kbps(S=8)。

編碼PHY的數(shù)據(jù)包類型和1M PHY/2M PHY 數(shù)據(jù)包類型略有不同，增加了CI(coding indicator)和TERM1和TERM2。CI和TERMx構(gòu)成了FEC(Forward Error Correction)區(qū)塊，利用FEC恢復在傳輸過程中的錯誤數(shù)據(jù)位，以提升接收靈敏度。

經(jīng)過S=2或者S=8的編碼，接收靈敏度可以提升4-6dBm，距離相應提升2-4被。但是進化出一種新的能力必然會犧牲自己一項能力，和1M PHY相比，傳輸?shù)木嚯x提升了，但傳輸相同數(shù)據(jù)包，編碼PHY的功耗比1M PHY就要高出一節(jié) (BLE 規(guī)定的包長一致，部分payload變?yōu)镕EC data，實際有效的傳輸數(shù)據(jù)減少)。

數(shù)據(jù)流傳遞方式:

1M/2M PHY

在沒有編碼方式下，TX數(shù)據(jù)包數(shù)據(jù)bit流通過加密(可選項)，CRC效驗，白化之后發(fā)送出去；RX端接收到數(shù)據(jù)流解調(diào)后校驗CRC，解密，得到原始數(shù)據(jù)包數(shù)據(jù)。

500kbps,125kbps 編碼PHY

相對 1M/2M 未編碼PHY的數(shù)據(jù)流，500k PHY, 125K phy多出兩個部分：FEC(前向錯誤糾錯) 編碼和模式映射，大家肯定要問如何實現(xiàn)FEC，我們以編碼PHY的流程來完整講述一下數(shù)據(jù)流的編碼和傳輸過程。

錯誤檢驗 — CRC效驗錯誤

接收機首先會檢測接收到的Access Adrees是否正確，如果Access Adrees錯誤，丟棄該數(shù)據(jù)包，檢測完Access Adrees，接收機會去效驗整個數(shù)據(jù)包，判斷24位CRC是否完全吻合。

白化

數(shù)據(jù)白化的目的是在傳輸數(shù)據(jù)遇到連續(xù)000000，或者連續(xù)111111序列時，進行合理編碼，減少傳輸長串重復序列數(shù)據(jù)。

編碼 — 前向錯誤編碼

前向錯誤編碼算法使得接收機有能比恢復該數(shù)據(jù)包中的傳輸錯誤數(shù)據(jù)位，通過把原始數(shù)據(jù)進行編碼得到新的數(shù)據(jù)流，即使新的數(shù)據(jù)流在傳輸過程中有個別位數(shù)據(jù)錯誤，F(xiàn)EC解碼也能恢復原始數(shù)據(jù)，從而提高了傳輸?shù)恼`碼率。BT5.0使用的如下編碼算法:

G0(a0)先進行傳輸，G1(a1)在G0傳輸完成之后傳輸。

模式映射 — Pattern Mapper

模式映射的目的是整理輸出前向錯誤編碼數(shù)據(jù)，輸出的方式分為兩種模式(P symbols)，一種P=1(S=2)，一種P=4(S=8)，兩種模式下把前向錯誤編碼數(shù)據(jù)進行加工，然后輸出。由下面的表格所示，當P=1時，輸出的data和輸入保持不變，1位輸入，1為輸出；當P=4時，編碼為4位再輸出，所以可以看到P=4(S=8)時，輸出的data數(shù)據(jù)量會更多，更進一部壓縮實際可以傳輸?shù)挠行ayload數(shù)據(jù)。

得益于前向錯誤編碼和模式映射，使得藍牙數(shù)據(jù)在傳輸過程中，RX端對整個payload數(shù)據(jù)包解碼糾錯能力有不同提升(簡單說即為提高RX端接收靈敏度)，藍牙5的傳輸距離才有顯著的提升。125kbps使用S=8模式，傳輸距離相對傳統(tǒng)BLE提升4倍，相應犧牲的數(shù)據(jù)傳輸率最多，500kbps使用S=2模式，傳輸距離相對傳統(tǒng)BLE提升2倍。長距離模式可以有效可以支持到400-500米范圍內(nèi)BLE通訊，是不是很厲害呢~

以上就是為什么藍牙5可以做遠距離傳輸，遠距離傳輸將會無人機，遙控賽車，競技手柄，工業(yè)自動化需要200-500范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)傳輸提供強有力的技術支持，目前可以支持藍牙5遠距離的芯片有Nordic 52840,TI CC2640R2F, SilconlabEFR32 Blue Gecko，但是可惜的是目前沒有一部手機支持遠距離，what a pity...