物聯網時代
據高盛的一篇文章所述，在20世紀90年代，大約有10億臺設備連接到互聯網上。進入21世紀，隨着智能手機的普及，這個數字上升到20億。ABI研究公司預測，到2021年，將有480億臺設備連接到互聯網上，我們稱之爲“物聯網時代”。在這480億臺設備中，預計將有30%的設備是藍牙設備。
這不是巧合。低功耗藍牙的快速發展，使藍牙技術成爲物聯網的關鍵推動者。現在，藍牙5更爲這項技術帶來了一些重大的進步，使其成爲更多物聯網應用場景的理想選擇。
藍牙4及其通信距離
低功耗藍牙技術的通信距離比人們普遍認爲的要長得多，即使在版本4中也是如此。作者用一臺Android智能手機和低功耗藍牙MCU進行了簡單的測試，結果顯示，智能手機在距離MCU 350米遠的地方成功接收到了藍牙通知。這個測試是在一個對無線電通訊不太理想的環境中進行的，它包含了大量的人和樹木。市場上也有許多商用藍牙模塊，相關數據顯示，通信距離可達500米。
越多越好
既然藍牙4的低功耗無線通信距離已經很長了，爲什麼還要再增加呢？因爲在許多應用場景中，需要更大的通信距離。比如說智能家居就是一個例子，這在一定程度上，體現了藍牙5增加通信距離的目的。
想象一下在一個大房子裏，每個房間都布有各種各樣的傳感器，牆壁裏，地板下，閣樓上，甚至每扇門和每個窗戶。照明、暖氣和空調系統，都是由藍牙控制的。更進一步，想想戶外的燈光，還有更多的傳感器在花園裏，在圍牆和大門上。這是對智能家居的一個相當準確的描述，能夠監控自己的居住、安全狀況、能源效率等等，並支持自動和手動控制關鍵系統和設備。
智能家居對無線技術提出了重大要求。通信範圍必需覆蓋整個家庭，實現這一目標的一個方法是確保點對點之間的信號即使在通過牆壁等物理屏障衰減後也能滿足這一要求。
三種物理層
物理層
藍牙是一個完整的協議棧。協議棧的底層稱爲物理層，通常稱爲“PHY”。
藍牙5相對於藍牙4加入了兩種新的物理層。每一種物理層都有其獨特的特點，併爲不同的應用場景而設計。在藍牙規範中這三種物理層分別爲 LE 1M， LE 2M 和 LE Coded。
LE 1M
藍牙4中使用的物理層是LE 1 M。它使用了高斯頻移鍵控（GFSK）技術，符號率爲1 Mb/s。因爲一個符號對應一個數據位，所以在協議棧上層比特率也是1 Mb/s。藍牙5也使用了LE 1 M物理層，並且藍牙5協議規範中明確規定必需支持LE 1 M物理層。
LE 2M - 雙倍速率
新的LE 2 M物理層的速度可達2 M/s上，相比藍牙4的LE 1 M物理層速度提高一倍。協議棧可以自由選擇是否支持這種物理層，它不是必需的。
LE 2M - 4倍距離
與藍牙4相比，藍牙5的LE Coded物理層可以將通信距離擴大到四倍左右，而且不需要增加傳輸功率，從而降低功耗，這一點非常重要。要理解它是如何完成的，需要我們明白無線通信系統中所謂的“範圍”是什麼意思。
藍牙是一種無線電技術，無線電是電磁輻射的一種形式。在通信領域，最大通信範圍是指“從接收到的信號中可以正確提取數據的最大範圍”，而不是“信號可以傳輸多遠還可以被探測到的距離”。
區別在於我們如何使用無線電來編碼和傳輸數據，以及背景噪聲如何影響接收器的數據解碼。通過調製載波信號來表示二進制0或1，然後進行傳輸。接收方接收到這個信號並將其轉換爲相同的0或1。如果傳輸的是1，接收器將其解碼爲0，則表示傳輸錯誤。
由於環境中存在背景輻射或“噪音”，接收器的工作因此變得複雜起來。背景噪音與接收信號的距離越近，就越難解碼接收到的信號，這樣就有可能出現解碼錯誤。
我們將信號強度與背景噪聲的比值，稱爲信噪比（SNR）。接收器離發射器距離越遠，接收到的信號強度越小。因此，背景噪聲的存在會導致信噪比降低，從而提高解碼出錯率。
我們可以將錯誤程度進行量化，稱之爲誤比特率（BER）。誤比特率是指每個傳輸的比特被接收器錯誤解碼的概率。我們可以根據接收器的接收強度等級對誤比特率的範圍進行限制。在藍牙中，規定接收器的最大誤比特率不能超過0.1% 。誤比特率限制以及接收器接收強度等級通常被稱爲接收器的靈敏度。
因此，如何在不增加發射功率的情況下增加藍牙的通信距離確實是一個問題。換句話說，就是如何增加接受器的靈敏度，從而在更遠距離，更低信噪比的情況下依然可以達到誤比特率的要求，正確解碼數據。
錯誤處理
在通信系統中，主要通過兩種方法來進行錯誤處理。一個是錯誤檢測，第二個是錯誤糾正。
錯誤檢測
接收器檢測錯誤有多種方式。奇偶校驗是一種常用的方式。有線，串行通信系統中經常使用奇偶校驗位，來檢測到一個或多個比特的解碼錯誤。
我們還可以使用計算校驗和的方式來進行錯誤檢測。藍牙中使用了循環冗餘校驗（CRC）技術。所有的數據包都有一個24位的CRC值，由發射器進行計算，並附加到數據包中。接收器重新計算CRC，並將計算值與數據包中的的CRC值進行比較。如果它們不相同，就說明傳輸出現了錯誤。
如果檢測到了錯誤，系統可以採用多種方式進行響應。系統可能認爲這是一個非常嚴重的錯誤，並終止通信，也可以請求發送者再次發送數據，以獲取正確的數據。在藍牙4和藍牙5中，如果CRC校驗失敗，接收器就不會發送應答，發送器如果收不到應答便會再次發送數據。
錯誤糾正
我們不僅可以檢測傳輸錯誤，還可以對其進行一定程度的糾正，這樣就不需要重新傳輸數據了。藍牙4中的低功耗藍牙技術不能進行錯誤糾正，只可以進行錯誤檢測。藍牙5 引入了錯誤糾正功能。使用錯誤糾正技術可以在更低信噪比的情況下正確解碼數據，從而增大傳輸距離。
如果我們不使用任何形式的錯誤校正方法，距離信源越遠，傳輸的數據誤比特率（BER）就會越大。在某一個位置，誤比特率達到我們允許的最大值。如們使用一些糾正方法減少這些錯誤，BER就會降低，這樣通信的有效範圍就會增加。當然，在更遠的某一位置，BER仍會達到我們允許的最大值，只不過這次距離更遠。這就是藍牙5通信距離增加的基本原理。只是用到了一些數學方法，並沒有什麼魔法。
FEC
LE Coded 物理層使用了前向糾錯技術（FEC），通過在數據包中加入額外的數據位來支持FEC算法進行錯誤糾正。如下圖所示，LE Coded PHY在鏈路層新加入了編碼，解碼兩個階段，進行數據流處理。
FEC編碼使用了卷積編碼器，藉助下面的多項式爲每一個輸入的數據位生成兩個數據位：
如下圖所示，LE Coded可以使用2種不同的編碼方式，即S = 2，S = 8。模式映射器將FEC 編碼器輸出的每一位轉換爲符號P，P的值取決於你所使用的編碼方式。如果S = 2，則沒有變化，如果S = 8，則FEC編碼器輸出的每一位變成4位。
選擇不同的編碼方式。即S = 2或S = 8，會產生兩種不同結果。當S = 2時，BLE的通信範圍會增加一倍，當S = 8時，BLE的通信範圍大約是原來的四倍。但是由於需要額外的數據位來支持FEC算法，所以BLE的數據傳輸速率會降低。總的來說，當S = 2時，1位通過FEC編碼器和模式映射器變成2位，當S=8時，1位通過FEC編碼器和模式映射器變成8位。
LE Coded 包結構
如下圖所示，LE Coded PHY使用了新的修改過的包結構。
與藍牙4和LE 1M相比，它們之間的區別如下：
擴展前導：接收器使用前導字段設置增益控制，以確定用於表示0和1的頻率，並進行符號定時估計。藍牙4的數據包以及藍牙5 1M PHY的數據包使用8位0，1交替的前導。LE 2 M使用了16位前導，由於它的符號率增加了，所以它們傳輸花費的時間相同。LE Coded 使用了80位的前導，由10組 “00111100” 組成。這裏需要注意的是，前導不受FEC編碼的影響。我們還可以利用前導來確定數據包對應的是哪種物理層。
FEC Block 1：數據包的剩餘部分劃分爲FEC Block 1和FEC Block 2兩部分。FEC Block 1用S = 8編碼，以獲得最大冗餘。FEC Block 1中的編碼指示（CI）表示FEC Block 2的編碼方式（S=2或S=8）。每個塊的末尾都有一個TERM值，這個值是000。在位流處理過程中，TERM值具有重置FEC編碼器的效果。
FEC Block 2：FEC Block 2 包含數據包PDU以及CRC。它的編碼方式由FEC Block 1中的CI決定。
LE Coded 符號率
LE Coded PHY 的符號率爲1 Ms/s，與LE 1M PHY的符號率相同。
三種物理層比較
藍牙5三種物理層的各項指標如下：
三種物理層比較
本文的主要關注點是藍牙5的遠距離通信能力，它使用了新的LE Coded物理層。主機可以使用主機控制器接口（HCI）“LE Set PHY”命令選擇不同的物理層，進行發送（TX）和接收（RX），它們之間彼此獨立。應用程序可以選擇“2Ms/s模式”進行高速數據傳輸或者切換到“長距離模式”進行遠距離通信（這樣可以控制無人機）。
主機可以使用HCI“LE Set Default PHY”命令設置默認的物理層，並使用HCI“LE Read Remote Features ”命令查詢遠端設備的功能。後者返回各種信息，包括遠端設備支持的PHYs的詳細信息。
總結
藍牙5代表了藍牙技術的重大進步。使用新型長距離 LE Coded PHY，通信距離可以覆蓋整個家庭甚至整棟建築。新的工業應用將成爲可能，一些智能城市應用也將成爲可能。藍牙5作爲物聯網時代的低功耗無線技術，將在更多領域產生重大影響！