【技术交流】BLE5.0的coded_PHY和1M速率通信距离对比

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1  测试原理

1.1 long range功能简介

    BLE蓝牙在BT5.0之前的传输距离一般都是近距离范围(最远一般在50米左右)。如果要提升通信距离，只能通过加大发射功率，但是带来的是功耗的增加。所以在BT5.0时增加了long range的功能，以此在不增加发射功率的前提下增加蓝牙产品的通信距离。

1.2 long range功能原理

       BLE5.0的这个longrange功能是需要芯片硬件上的支持，因此传统的蓝牙4.0芯片无法通过软件更改的方式实现long range功能。实现long range功能需要引进新的编码机制coded PHY。从原理上看coded PHY的数据流还是1M的速率，但是在编码规则上增加了冗余机制，采用前向纠错方式（FEC）来增加用户数据的可错性，在实际使用中，用户数据速率会低于原始数据流1M的速率。BLE5.0中有S2和S8两种编码规则。

    如上图是BLE5.1规范中对于coded PHY编码的规定，可以看出采用不同的编码规则，通过FEC之后输出的是不同的。举例来说，对于1Msymbols的速率，在S2下速率只能达到1M/2=500Ksymbols，在S8下只有1M/8=125Ksymbols的速率。

    通过这种编码方式实现的通信在接收端的灵敏度上有很大的提升，对于整个通信链路来说，不增加发射功率的前提下，可以提升整个通信链路的性能。以nRF52833芯片举例来说，

    在1M速率下灵敏度只有-95dBm，但是在coded PHY的125K速率下可以提升到-103dBm，增加了8dB，理论上通信距离可以提升接近3倍。下面就是测试实际中通信距离提升的效果。

2  测试条件

2.1 从机代码更改

对于从机广播来说，需要更改的配置如下：

①把primary_phy和secondary_phy都改为BLE_GAP_PHY_CODED；

②设置Primary Advertising广播包为ADV_EXT_IND，如下：

BLE_GAP_ADV_TYPE_EXTENDED_CONNECTABLE_NONSCANNABLE_UNDIRECTED

③设置Extended的广播方式；

④设置为LE General Discoverable Mode，如下：

BLE_GAP_ADV_FLAG_LE_LIMITED_DISC_MODE

2.2 测试设备

①更改为coded广播通信的模块(E91模块，广播和连接功率都设置为4dBm)

②支持longrange的手机，型号是OnePlus 7T

③nRF connect测试软件

2.3 测试方法

手机对模块的拉距方式：E91模块固定在离地1.5米位置，分别配置1M_PHY和coded_PHY的速率，然后用手机连接上，往远处走，一直到断开连接的位置，然后在该位置上再次连接，如果还能可以连接，就继续往远处走，如果不能就退回一点距离，如此来回测试确定一个极限连接的位置。然后在该位置上进行连接的数据通信，看是否能正常通信。

3  测试过程和结果

①模块固定的位置：                     

②coded_PHY，如下图是coded速率下能连接通信的极限位置：

③1M_PHY，如下图是1M速率下能连接和通信的位置：

④这2个位置在地图上标注如下，黄色方框位置是起点位置，红色方框是coded_PHY的位置，绿色方框是1M_PHY的位置，从图上测量出，1M速率的距离是186米，code_PHY速率下的距离是336米，提升大概(336-186)*100/186=80.6%的距离。

4    测试结论

    BLE5.0增加的long range的功能在不增加蓝牙产品发射功率及功耗的前提下，能够提升蓝牙产品的广播和通信的距离。理论上看采用coded_S8编码规则可以提升到原来的3~4倍的距离，但是实际测试提升大约80%的距离，这个是和实际的通信环境有关的，图中测试环境是在马路边上，可以从图中看出环境中有车辆经过等环境因素的影响对实际结果有一点的影响，不可能达到理论上3~4倍的效果。不过整体看距离效果是提升明显的。

    下图是官方demo板子给出的coded和1M速率的距离比较，官方demo的提升大概90%的距离，我们模组提升还是比较接近的官方的数据。