藍牙Mesh技術解讀及藍牙Mesh產品射頻性能研究

李 偉 張可新

（嘉興威凱檢測技術有限公司 嘉興 314000）

引言

2017年藍牙技術聯盟SIG發布Mesh1.0，該技術具有“多對多”通信、低功耗、低成本等優勢，阿里巴巴等平臺較早就選擇其作為智能家居主推通訊技術，目前藍牙Mesh在智能家居中的應用越來越廣泛，2019年僅天貓精靈銷量就超千萬，可連接設備過億，整個行業應用群體更是龐大，如此大體量的藍牙Mesh智能終端必然對無線通信頻譜和設備帶來巨大挑戰，而且對于藍牙Mesh相關應用的標準法規還在完善中，因此開展藍牙Mesh產品的射頻性能研究有重要的意義。

1 藍牙通信技術

隨著科技的不斷發展，無線通信技術越來越豐富，遠距離無線通信有NB-IoT、LoRa等方式，近距離無線通信則有藍牙、Wi-Fi、Zigbee、Z-Wave、NFC等，無線通信為科技和社會發展帶來極大的促進作用。藍牙技術作為近距離無線通信技術的“原始人物”，隨著低功耗、定位、Mesh等功能的不斷強化，在物聯網、智能家居領域有極大的應用發展。

藍牙（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丹麥國王哈拉爾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色徽標作為藍牙LOGO。2017年7月19日，藍牙技術聯盟（SIG）正式宣布藍牙技術開始全面支持Mesh網狀網絡，支持設備多對多傳輸，并提高構建大范圍的網絡覆蓋通信能力，隨機技術不斷深入，確實實現了藍牙互聯互通的愿景，預計2025年藍牙設備全球總出貨量將超過67億。

2 藍牙Mesh技術解讀

藍牙的核心是短距離無線通訊，基于跳頻擴頻技術，可追溯到第二次世界大戰。1994年愛立信創制出藍牙技術方案研究移動電話和其他配件之間進行低成本、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-即藍牙技術聯盟的前身，其目標是開發一個成本低、效益高、并且可以在短距離范圍內隨意無線連接的藍牙技術。

隨后，藍牙主要經歷了5代技術革新：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高速藍牙，2010年第4代內含高速藍牙（BR/EDR）與低功耗藍牙（BLE），開始區分Singlemode與Dualmode，低功耗藍牙（BLE）極大地降低了藍牙設備的通信電力負擔，2016年藍牙5.0支持4倍傳輸距離、2倍傳輸速度、8倍廣播數據傳輸量、定位導航等，開啟了“物聯網”時代大門，力求以更低的功耗和更高的性能為智能家居服務，到2017年藍牙技術全面支持Mesh網狀網絡。

藍牙Mesh技術嚴格意義上來講其實并非無線通信技術，而是一種網絡（組網）技術，用于構建“多對多”通信連接網絡，傳統藍牙連接是與附近的設備進行配對，與設備建立“一對一”、“一對多”的微型網絡，而Mesh網絡是每個設備節點都能發送/接收信息，當一個設備連接上網關，其設備發射信息就能夠在節點之間被中繼，從而讓消息傳輸至更遠的位置（見圖1）。藍牙Mesh是建立在低功耗藍牙之上的通信網絡，其大體分為應用層和網絡層，在應用層面，進行了多層次的封裝：節點—元素—模型—狀態；網絡層面構架為：BLE層—承載層—網絡層—傳輸下層—傳輸上層—接入層—基礎模型層—模型層。

圖1 Mesh組網模型

3 藍牙Mesh產品射頻性能研究

隨著智能家居生態的發展，憑借諸多優勢，未來可能會有數以億計的智能設備接入藍牙Mesh生態中去，如此龐大的硬件生態對于整個無線通信網絡性能及安全無疑是巨大的挑戰，在全球，基本上所有國家對無線產品的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備之間的串擾，藍牙產品一直是重點監管對象。相較Wi-Fi、Zigbee等短距離無線通訊技術有較多優勢的藍牙Mesh，其核心是建立在低功耗藍牙之上的通信網絡，那么應用藍牙Mesh的產品射頻RF性能到底如何？

3.1 藍牙Mesh與Wi-Fi、Zigbee性能比較

Mesh網絡具備了“多對多”的組網功能，而相比傳統藍牙，Mesh可以支持上萬個設備同時控制，設備之間組成網絡，互相通信，而傳統的普通藍牙設備之間是孤立的，同樣對Wi-Fi技術，由于IP、Wi-Fi信道的個數受到限制，通常連接設備不超過100個。Mesh技術只要通過手機就可以對眾多設備進行配網和控制，這種互通，打破了信號發射源的覆蓋空間限制；Zigbee經過這么多年發展，在短距應用上越來越廣，但與Mesh相比，它網絡結構龐雜，需要通過網關控制，不能直接手機控制，另外芯片價格也比藍牙Mesh高很多，所以想順利實現智慧家庭或智能樓宇中設備聯動、場景自動化，擁有秒配、低成本、低功耗、自組網、免密等優勢的藍牙Mesh技術是一個非常好的選擇。

3.2 藍牙Mesh射頻應用場景

藍牙Mesh技術允許創建基于多個設備的大型網絡，可包含數十臺、數百甚至數千臺設備，可以分布在寫字樓樓、商場、工業園區、商業園區和辦公樓中，為工業自動化設備、照明、攝像、傳感器、追蹤器等提供了理想解決方案。隨著藍牙5和藍牙Mesh技術的成熟，逐步具備了設備之間的長距離、多設備通訊的能力，將萬物互聯這個想法由想象逐步變為現實。據相關專業人士分析，無線傳感器網絡、樓宇自動化、資產追蹤是未來藍牙Mesh發展生產的主要的市場目標，從而有效的避開了在室外建立基站進行遠距離傳輸的廣域網絡，如NBIoT、LoRa等，同時也可以部署很多節點，解決了傳輸距離短的問題。

在國內，知名企業阿里巴巴早在Mesh技術推出之時便較早接入，選擇Mesh作為智能家居主推通訊技術，以“天貓精靈”音箱作為接口，聯通照明、電工、家電、健康、傳感器等眾多IoT設備，構建了龐大的天貓精靈智能家居平臺，通過“天貓精靈，找隊友”這一句口令就能完成藍牙組網，大大降低了用戶使用智能產品的難度，同時也提高了智能產品的激活率，據阿里巴巴人工智能實驗室硬件終端總經理茹憶在2019藍牙亞洲大會上表示：“天貓精靈牽頭推動的藍牙Mesh智能連接方案，上市9個月采用量突破1000萬。”許多大牌企業均采用藍牙Mesh技術進行智能化升級，其生態中的芯片、模組廠商超過20余家也均采用藍牙Mesh技術進行智能化升級。

3.3 藍牙Mesh產品射頻測試

行業內暫無針對藍牙Mesh技術專用的測試標準要求，接下來我們基于歐盟標準EN300328和中國信部無[2002]353號文對某品牌藍牙Mesh智能終端產品進行射頻性能測試，以了解擁有強大組網能力的最新藍牙Mesh技術它的射頻表現和它對無線通信頻譜、設備的影響分析。

3.3.1 測試樣品選取

特引入某品牌經典藍牙產品、及某品牌Zigbee產品在同一測試環境下進行射頻性能測試，觀察藍牙Mesh產品射頻性能表現，對藍牙Mesh產品編號1#，經典藍牙產品編號2#，Zigbee產品編號3#，記錄相關射頻性能指標數據。

3.3.2 測試場地和條件

選取擁有良好性能的屏蔽室進行傳導法射頻測試，維持測試在相同試驗環境下進行：溫度：25.4℃，相對濕度：58.9%，大氣壓強：101.0kPa。

設備清單（詳見表1）。

表1 射頻測試設備清單

測試布置（見圖2）。

圖2 測試布置圖

3.3.3 測試項目及圖譜分析

統一天線增益為1.5dBi，在頻點2480 MHz處，選取典型射頻測試項目：

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等全向天線的増益（絕對或全向增益）的乘積，測試圖譜見圖3。

圖3 大等效全向輻射功率

2）最大功率譜密度：當波的功率頻譜密度乘以一個合適的系數后，得到的每單位頻率波攜帶的功率，測試圖譜見圖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，測試圖譜見圖5。

圖5 頻率范圍

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

圖6 占用帶寬

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

圖7 載頻容限

6）帶外發射功率：由于調制過程而產生的，剛超過必要帶寬的一個或多個頻率的發射，但雜散發射除外，測試圖譜見圖8。

圖8 帶外發射功率

3.3.4 測試數據及圖表（詳見表2）

表2 測試項目及結果

結合以上測試分析，在相同測試條件下，藍牙Mesh產品在滿足法規要求的射頻參數外，在功耗方面都有不錯的表現，這也充分證明藍牙Mesh產品適應于智能家居環境的發展，低功耗，干擾小，且組網能力比Wi-Fi、Zigbee都有較大的優勢，有比較廣闊的應用前景。

4 結語

本文通過對藍牙Mesh原理解析，對藍牙Mesh產品進行典型射頻參數的測試分析，得知藍牙Mesh在強大組網能力外，他的射頻參數表現優異，滿足家居、樓宇智能等環境智能產品對無線電頻譜管理的要求。另外，充分比較了藍牙Mesh與Wi-Fi、Zigbee等短距離無線通信技術，比Wi-Fi連接快、數量多，比Zigbee方便、成本低，可以看出藍牙Mesh具有低功耗、建立多對多(many:many)設備通信、高度安全、面向未來、方便升級等優點，介紹藍牙Mesh技術對未來智能環境的應用，隨著手機、音箱、燈具、電工等藍牙龐大生態系統的建立，藍牙Mesh技術將進一步推動整個物聯網絡的前進和發展。