李 偉 張可新

（嘉興威凱檢測(cè)技術(shù)有限公司 嘉興 314000）

引言

2017年藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟SIG發(fā)布Mesh1.0，該技術(shù)具有“多對(duì)多”通信、低功耗、低成本等優(yōu)勢(shì)，阿里巴巴等平臺(tái)較早就選擇其作為智能家居主推通訊技術(shù)，目前藍(lán)牙Mesh在智能家居中的應(yīng)用越來越廣泛，2019年僅天貓精靈銷量就超千萬，可連接設(shè)備過億，整個(gè)行業(yè)應(yīng)用群體更是龐大，如此大體量的藍(lán)牙Mesh智能終端必然對(duì)無線通信頻譜和設(shè)備帶來巨大挑戰(zhàn)，而且對(duì)于藍(lán)牙Mesh相關(guān)應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)還在完善中，因此開展藍(lán)牙Mesh產(chǎn)品的射頻性能研究有重要的意義。

1 藍(lán)牙通信技術(shù)

隨著科技的不斷發(fā)展，無線通信技術(shù)越來越豐富，遠(yuǎn)距離無線通信有NB-IoT、LoRa等方式，近距離無線通信則有藍(lán)牙、Wi-Fi、Zigbee、Z-Wave、NFC等，無線通信為科技和社會(huì)發(fā)展帶來極大的促進(jìn)作用。藍(lán)牙技術(shù)作為近距離無線通信技術(shù)的“原始人物”，隨著低功耗、定位、Mesh等功能的不斷強(qiáng)化，在物聯(lián)網(wǎng)、智能家居領(lǐng)域有極大的應(yīng)用發(fā)展。

藍(lán)牙（Bluetooth）名稱是由英特爾的工程師Jim Kardach取的，名字的來源是十世紀(jì)丹麥國(guó)王哈拉爾Haral Bluetooth名字的首字母H和B拼在一起的，之后用弗薩克文的符文組合成我們熟知的藍(lán)色徽標(biāo)作為藍(lán)牙LOGO。2017年7月19日，藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟（SIG）正式宣布藍(lán)牙技術(shù)開始全面支持Mesh網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，支持設(shè)備多對(duì)多傳輸，并提高構(gòu)建大范圍的網(wǎng)絡(luò)覆蓋通信能力，隨機(jī)技術(shù)不斷深入，確實(shí)實(shí)現(xiàn)了藍(lán)牙互聯(lián)互通的愿景，預(yù)計(jì)2025年藍(lán)牙設(shè)備全球總出貨量將超過67億。

2 藍(lán)牙Mesh技術(shù)解讀

藍(lán)牙的核心是短距離無線通訊，基于跳頻擴(kuò)頻技術(shù)，可追溯到第二次世界大戰(zhàn)。1994年愛立信創(chuàng)制出藍(lán)牙技術(shù)方案研究移動(dòng)電話和其他配件之間進(jìn)行低成本、低功耗無線通信連接的方法，1998年，愛立信與諾基亞、英特爾、IBM、東芝等廠商成立“特別興趣小組Special Interest Group”該小組為SIG-即藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟的前身，其目標(biāo)是開發(fā)一個(gè)成本低、效益高、并且可以在短距離范圍內(nèi)隨意無線連接的藍(lán)牙技術(shù)。

隨后，藍(lán)牙主要經(jīng)歷了5代技術(shù)革新：1999年1.0早期探索，2004年2.1大幅提高速度，2009年3.0加入High Speed高速藍(lán)牙，2010年第4代內(nèi)含高速藍(lán)牙（BR/EDR）與低功耗藍(lán)牙（BLE），開始區(qū)分Singlemode與Dualmode，低功耗藍(lán)牙（BLE）極大地降低了藍(lán)牙設(shè)備的通信電力負(fù)擔(dān)，2016年藍(lán)牙5.0支持4倍傳輸距離、2倍傳輸速度、8倍廣播數(shù)據(jù)傳輸量、定位導(dǎo)航等，開啟了“物聯(lián)網(wǎng)”時(shí)代大門，力求以更低的功耗和更高的性能為智能家居服務(wù)，到2017年藍(lán)牙技術(shù)全面支持Mesh網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。

藍(lán)牙Mesh技術(shù)嚴(yán)格意義上來講其實(shí)并非無線通信技術(shù)，而是一種網(wǎng)絡(luò)（組網(wǎng)）技術(shù)，用于構(gòu)建“多對(duì)多”通信連接網(wǎng)絡(luò)，傳統(tǒng)藍(lán)牙連接是與附近的設(shè)備進(jìn)行配對(duì)，與設(shè)備建立“一對(duì)一”、“一對(duì)多”的微型網(wǎng)絡(luò)，而Mesh網(wǎng)絡(luò)是每個(gè)設(shè)備節(jié)點(diǎn)都能發(fā)送/接收信息，當(dāng)一個(gè)設(shè)備連接上網(wǎng)關(guān)，其設(shè)備發(fā)射信息就能夠在節(jié)點(diǎn)之間被中繼，從而讓消息傳輸至更遠(yuǎn)的位置（見圖1）。藍(lán)牙Mesh是建立在低功耗藍(lán)牙之上的通信網(wǎng)絡(luò)，其大體分為應(yīng)用層和網(wǎng)絡(luò)層，在應(yīng)用層面，進(jìn)行了多層次的封裝：節(jié)點(diǎn)—元素—模型—狀態(tài)；網(wǎng)絡(luò)層面構(gòu)架為：BLE層—承載層—網(wǎng)絡(luò)層—傳輸下層—傳輸上層—接入層—基礎(chǔ)模型層—模型層。

圖1 Mesh組網(wǎng)模型

3 藍(lán)牙Mesh產(chǎn)品射頻性能研究

隨著智能家居生態(tài)的發(fā)展，憑借諸多優(yōu)勢(shì)，未來可能會(huì)有數(shù)以億計(jì)的智能設(shè)備接入藍(lán)牙Mesh生態(tài)中去，如此龐大的硬件生態(tài)對(duì)于整個(gè)無線通信網(wǎng)絡(luò)性能及安全無疑是巨大的挑戰(zhàn)，在全球，基本上所有國(guó)家對(duì)無線產(chǎn)品的RF性能都提出了具體要求，避免頻譜資源的沖突和各種無線智能設(shè)備之間的串?dāng)_，藍(lán)牙產(chǎn)品一直是重點(diǎn)監(jiān)管對(duì)象。相較Wi-Fi、Zigbee等短距離無線通訊技術(shù)有較多優(yōu)勢(shì)的藍(lán)牙Mesh，其核心是建立在低功耗藍(lán)牙之上的通信網(wǎng)絡(luò)，那么應(yīng)用藍(lán)牙Mesh的產(chǎn)品射頻RF性能到底如何？

3.1 藍(lán)牙Mesh與Wi-Fi、Zigbee性能比較

Mesh網(wǎng)絡(luò)具備了“多對(duì)多”的組網(wǎng)功能，而相比傳統(tǒng)藍(lán)牙，Mesh可以支持上萬個(gè)設(shè)備同時(shí)控制，設(shè)備之間組成網(wǎng)絡(luò)，互相通信，而傳統(tǒng)的普通藍(lán)牙設(shè)備之間是孤立的，同樣對(duì)Wi-Fi技術(shù)，由于IP、Wi-Fi信道的個(gè)數(shù)受到限制，通常連接設(shè)備不超過100個(gè)。Mesh技術(shù)只要通過手機(jī)就可以對(duì)眾多設(shè)備進(jìn)行配網(wǎng)和控制，這種互通，打破了信號(hào)發(fā)射源的覆蓋空間限制；Zigbee經(jīng)過這么多年發(fā)展，在短距應(yīng)用上越來越廣，但與Mesh相比，它網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)龐雜，需要通過網(wǎng)關(guān)控制，不能直接手機(jī)控制，另外芯片價(jià)格也比藍(lán)牙Mesh高很多，所以想順利實(shí)現(xiàn)智慧家庭或智能樓宇中設(shè)備聯(lián)動(dòng)、場(chǎng)景自動(dòng)化，擁有秒配、低成本、低功耗、自組網(wǎng)、免密等優(yōu)勢(shì)的藍(lán)牙Mesh技術(shù)是一個(gè)非常好的選擇。

3.2 藍(lán)牙Mesh射頻應(yīng)用場(chǎng)景

藍(lán)牙Mesh技術(shù)允許創(chuàng)建基于多個(gè)設(shè)備的大型網(wǎng)絡(luò)，可包含數(shù)十臺(tái)、數(shù)百甚至數(shù)千臺(tái)設(shè)備，可以分布在寫字樓樓、商場(chǎng)、工業(yè)園區(qū)、商業(yè)園區(qū)和辦公樓中，為工業(yè)自動(dòng)化設(shè)備、照明、攝像、傳感器、追蹤器等提供了理想解決方案。隨著藍(lán)牙5和藍(lán)牙Mesh技術(shù)的成熟，逐步具備了設(shè)備之間的長(zhǎng)距離、多設(shè)備通訊的能力，將萬物互聯(lián)這個(gè)想法由想象逐步變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。據(jù)相關(guān)專業(yè)人士分析，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、樓宇自動(dòng)化、資產(chǎn)追蹤是未來藍(lán)牙Mesh發(fā)展生產(chǎn)的主要的市場(chǎng)目標(biāo)，從而有效的避開了在室外建立基站進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸?shù)膹V域網(wǎng)絡(luò)，如NBIoT、LoRa等，同時(shí)也可以部署很多節(jié)點(diǎn)，解決了傳輸距離短的問題。

在國(guó)內(nèi)，知名企業(yè)阿里巴巴早在Mesh技術(shù)推出之時(shí)便較早接入，選擇Mesh作為智能家居主推通訊技術(shù)，以“天貓精靈”音箱作為接口，聯(lián)通照明、電工、家電、健康、傳感器等眾多IoT設(shè)備，構(gòu)建了龐大的天貓精靈智能家居平臺(tái)，通過“天貓精靈，找隊(duì)友”這一句口令就能完成藍(lán)牙組網(wǎng)，大大降低了用戶使用智能產(chǎn)品的難度，同時(shí)也提高了智能產(chǎn)品的激活率，據(jù)阿里巴巴人工智能實(shí)驗(yàn)室硬件終端總經(jīng)理茹憶在2019藍(lán)牙亞洲大會(huì)上表示：“天貓精靈牽頭推動(dòng)的藍(lán)牙Mesh智能連接方案，上市9個(gè)月采用量突破1000萬?！痹S多大牌企業(yè)均采用藍(lán)牙Mesh技術(shù)進(jìn)行智能化升級(jí)，其生態(tài)中的芯片、模組廠商超過20余家也均采用藍(lán)牙Mesh技術(shù)進(jìn)行智能化升級(jí)。

3.3 藍(lán)牙Mesh產(chǎn)品射頻測(cè)試

行業(yè)內(nèi)暫無針對(duì)藍(lán)牙Mesh技術(shù)專用的測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)要求，接下來我們基于歐盟標(biāo)準(zhǔn)EN300328和中國(guó)信部無[2002]353號(hào)文對(duì)某品牌藍(lán)牙Mesh智能終端產(chǎn)品進(jìn)行射頻性能測(cè)試，以了解擁有強(qiáng)大組網(wǎng)能力的最新藍(lán)牙Mesh技術(shù)它的射頻表現(xiàn)和它對(duì)無線通信頻譜、設(shè)備的影響分析。

3.3.1 測(cè)試樣品選取

特引入某品牌經(jīng)典藍(lán)牙產(chǎn)品、及某品牌Zigbee產(chǎn)品在同一測(cè)試環(huán)境下進(jìn)行射頻性能測(cè)試，觀察藍(lán)牙Mesh產(chǎn)品射頻性能表現(xiàn)，對(duì)藍(lán)牙Mesh產(chǎn)品編號(hào)1#，經(jīng)典藍(lán)牙產(chǎn)品編號(hào)2#，Zigbee產(chǎn)品編號(hào)3#，記錄相關(guān)射頻性能指標(biāo)數(shù)據(jù)。

3.3.2 測(cè)試場(chǎng)地和條件

選取擁有良好性能的屏蔽室進(jìn)行傳導(dǎo)法射頻測(cè)試，維持測(cè)試在相同試驗(yàn)環(huán)境下進(jìn)行：溫度：25.4℃，相對(duì)濕度：58.9%，大氣壓強(qiáng)：101.0kPa。

設(shè)備清單（詳見表1）。

表1 射頻測(cè)試設(shè)備清單

測(cè)試布置（見圖2）。

圖2 測(cè)試布置圖

3.3.3 測(cè)試項(xiàng)目及圖譜分析

統(tǒng)一天線增益為1.5dBi，在頻點(diǎn)2480 MHz處，選取典型射頻測(cè)試項(xiàng)目：

1）最大等效全向輻射功率：天線的功率和指定方向上的相對(duì)等全向天線的増益（絕對(duì)或全向增益）的乘積，測(cè)試圖譜見圖3。

圖3 大等效全向輻射功率

2）最大功率譜密度：當(dāng)波的功率頻譜密度乘以一個(gè)合適的系數(shù)后，得到的每單位頻率波攜帶的功率，測(cè)試圖譜見圖4。

圖4 最大功率譜密度

3）頻率范圍：最低有效回放頻率與最高有效回放頻率之間的范圍，測(cè)試圖譜見圖5。

圖5 頻率范圍

4）占用帶寬（功率能量99%）：被測(cè)信號(hào)的頻率下限之下和頻率上限之上的帶外所發(fā)射平均功率各等于某一給定發(fā)射的平均功率的0.5 %的一種帶寬，測(cè)試圖譜見圖6。

圖6 占用帶寬

5）載頻容限：是發(fā)射所占頻帶的中心頻率偏離指配頻率的最大容許偏差，測(cè)試圖譜見圖7。

圖7 載頻容限

6）帶外發(fā)射功率：由于調(diào)制過程而產(chǎn)生的，剛超過必要帶寬的一個(gè)或多個(gè)頻率的發(fā)射，但雜散發(fā)射除外，測(cè)試圖譜見圖8。

圖8 帶外發(fā)射功率

3.3.4 測(cè)試數(shù)據(jù)及圖表（詳見表2）

表2 測(cè)試項(xiàng)目及結(jié)果

結(jié)合以上測(cè)試分析，在相同測(cè)試條件下，藍(lán)牙Mesh產(chǎn)品在滿足法規(guī)要求的射頻參數(shù)外，在功耗方面都有不錯(cuò)的表現(xiàn)，這也充分證明藍(lán)牙Mesh產(chǎn)品適應(yīng)于智能家居環(huán)境的發(fā)展，低功耗，干擾小，且組網(wǎng)能力比Wi-Fi、Zigbee都有較大的優(yōu)勢(shì)，有比較廣闊的應(yīng)用前景。

4 結(jié)語

本文通過對(duì)藍(lán)牙Mesh原理解析，對(duì)藍(lán)牙Mesh產(chǎn)品進(jìn)行典型射頻參數(shù)的測(cè)試分析，得知藍(lán)牙Mesh在強(qiáng)大組網(wǎng)能力外，他的射頻參數(shù)表現(xiàn)優(yōu)異，滿足家居、樓宇智能等環(huán)境智能產(chǎn)品對(duì)無線電頻譜管理的要求。另外，充分比較了藍(lán)牙Mesh與Wi-Fi、Zigbee等短距離無線通信技術(shù)，比Wi-Fi連接快、數(shù)量多，比Zigbee方便、成本低，可以看出藍(lán)牙Mesh具有低功耗、建立多對(duì)多(many:many)設(shè)備通信、高度安全、面向未來、方便升級(jí)等優(yōu)點(diǎn)，介紹藍(lán)牙Mesh技術(shù)對(duì)未來智能環(huán)境的應(yīng)用，隨著手機(jī)、音箱、燈具、電工等藍(lán)牙龐大生態(tài)系統(tǒng)的建立，藍(lán)牙Mesh技術(shù)將進(jìn)一步推動(dòng)整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的前進(jìn)和發(fā)展。