蓝牙Mesh技术解读及蓝牙Mesh产品射频性能研究

李 伟 张可新

（嘉兴威凯检测技术有限公司 嘉兴 314000）

引言

2017年蓝牙技术联盟SIG发布Mesh1.0，该技术具有“多对多”通信、低功耗、低成本等优势，阿里巴巴等平台较早就选择其作为智能家居主推通讯技术，目前蓝牙Mesh在智能家居中的应用越来越广泛，2019年仅天猫精灵销量就超千万，可连接设备过亿，整个行业应用群体更是庞大，如此大体量的蓝牙Mesh智能终端必然对无线通信频谱和设备带来巨大挑战，而且对于蓝牙Mesh相关应用的标准法规还在完善中，因此开展蓝牙Mesh产品的射频性能研究有重要的意义。

1 蓝牙通信技术

随着科技的不断发展，无线通信技术越来越丰富，远距离无线通信有NB-IoT、LoRa等方式，近距离无线通信则有蓝牙、Wi-Fi、Zigbee、Z-Wave、NFC等，无线通信为科技和社会发展带来极大的促进作用。蓝牙技术作为近距离无线通信技术的“原始人物”，随着低功耗、定位、Mesh等功能的不断强化，在物联网、智能家居领域有极大的应用发展。

蓝牙（Bluetooth）名称是由英特尔的工程师Jim Kardach取的，名字的来源是十世纪丹麦国王哈拉尔Haral Bluetooth名字的首字母H和B拼在一起的，之后用弗萨克文的符文组合成我们熟知的蓝色徽标作为蓝牙LOGO。2017年7月19日，蓝牙技术联盟（SIG）正式宣布蓝牙技术开始全面支持Mesh网状网络，支持设备多对多传输，并提高构建大范围的网络覆盖通信能力，随机技术不断深入，确实实现了蓝牙互联互通的愿景，预计2025年蓝牙设备全球总出货量将超过67亿。

2 蓝牙Mesh技术解读

蓝牙的核心是短距离无线通讯，基于跳频扩频技术，可追溯到第二次世界大战。1994年爱立信创制出蓝牙技术方案研究移动电话和其他配件之间进行低成本、低功耗无线通信连接的方法，1998年，爱立信与诺基亚、英特尔、IBM、东芝等厂商成立“特别兴趣小组Special Interest Group”该小组为SIG-即蓝牙技术联盟的前身，其目标是开发一个成本低、效益高、并且可以在短距离范围内随意无线连接的蓝牙技术。

随后，蓝牙主要经历了5代技术革新：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高速蓝牙，2010年第4代内含高速蓝牙（BR/EDR）与低功耗蓝牙（BLE），开始区分Singlemode与Dualmode，低功耗蓝牙（BLE）极大地降低了蓝牙设备的通信电力负担，2016年蓝牙5.0支持4倍传输距离、2倍传输速度、8倍广播数据传输量、定位导航等，开启了“物联网”时代大门，力求以更低的功耗和更高的性能为智能家居服务，到2017年蓝牙技术全面支持Mesh网状网络。

蓝牙Mesh技术严格意义上来讲其实并非无线通信技术，而是一种网络（组网）技术，用于构建“多对多”通信连接网络，传统蓝牙连接是与附近的设备进行配对，与设备建立“一对一”、“一对多”的微型网络，而Mesh网络是每个设备节点都能发送/接收信息，当一个设备连接上网关，其设备发射信息就能够在节点之间被中继，从而让消息传输至更远的位置（见图1）。蓝牙Mesh是建立在低功耗蓝牙之上的通信网络，其大体分为应用层和网络层，在应用层面，进行了多层次的封装：节点—元素—模型—状态；网络层面构架为：BLE层—承载层—网络层—传输下层—传输上层—接入层—基础模型层—模型层。

图1 Mesh组网模型

3 蓝牙Mesh产品射频性能研究

随着智能家居生态的发展，凭借诸多优势，未来可能会有数以亿计的智能设备接入蓝牙Mesh生态中去，如此庞大的硬件生态对于整个无线通信网络性能及安全无疑是巨大的挑战，在全球，基本上所有国家对无线产品的RF性能都提出了具体要求，避免频谱资源的冲突和各种无线智能设备之间的串扰，蓝牙产品一直是重点监管对象。相较Wi-Fi、Zigbee等短距离无线通讯技术有较多优势的蓝牙Mesh，其核心是建立在低功耗蓝牙之上的通信网络，那么应用蓝牙Mesh的产品射频RF性能到底如何？

3.1 蓝牙Mesh与Wi-Fi、Zigbee性能比较

Mesh网络具备了“多对多”的组网功能，而相比传统蓝牙，Mesh可以支持上万个设备同时控制，设备之间组成网络，互相通信，而传统的普通蓝牙设备之间是孤立的，同样对Wi-Fi技术，由于IP、Wi-Fi信道的个数受到限制，通常连接设备不超过100个。Mesh技术只要通过手机就可以对众多设备进行配网和控制，这种互通，打破了信号发射源的覆盖空间限制；Zigbee经过这么多年发展，在短距应用上越来越广，但与Mesh相比，它网络结构庞杂，需要通过网关控制，不能直接手机控制，另外芯片价格也比蓝牙Mesh高很多，所以想顺利实现智慧家庭或智能楼宇中设备联动、场景自动化，拥有秒配、低成本、低功耗、自组网、免密等优势的蓝牙Mesh技术是一个非常好的选择。

3.2 蓝牙Mesh射频应用场景

蓝牙Mesh技术允许创建基于多个设备的大型网络，可包含数十台、数百甚至数千台设备，可以分布在写字楼楼、商场、工业园区、商业园区和办公楼中，为工业自动化设备、照明、摄像、传感器、追踪器等提供了理想解决方案。随着蓝牙5和蓝牙Mesh技术的成熟，逐步具备了设备之间的长距离、多设备通讯的能力，将万物互联这个想法由想象逐步变为现实。据相关专业人士分析，无线传感器网络、楼宇自动化、资产追踪是未来蓝牙Mesh发展生产的主要的市场目标，从而有效的避开了在室外建立基站进行远距离传输的广域网络，如NBIoT、LoRa等，同时也可以部署很多节点，解决了传输距离短的问题。

在国内，知名企业阿里巴巴早在Mesh技术推出之时便较早接入，选择Mesh作为智能家居主推通讯技术，以“天猫精灵”音箱作为接口，联通照明、电工、家电、健康、传感器等众多IoT设备，构建了庞大的天猫精灵智能家居平台，通过“天猫精灵，找队友”这一句口令就能完成蓝牙组网，大大降低了用户使用智能产品的难度，同时也提高了智能产品的激活率，据阿里巴巴人工智能实验室硬件终端总经理茹忆在2019蓝牙亚洲大会上表示：“天猫精灵牵头推动的蓝牙Mesh智能连接方案，上市9个月采用量突破1000万。”许多大牌企业均采用蓝牙Mesh技术进行智能化升级，其生态中的芯片、模组厂商超过20余家也均采用蓝牙Mesh技术进行智能化升级。

3.3 蓝牙Mesh产品射频测试

行业内暂无针对蓝牙Mesh技术专用的测试标准要求，接下来我们基于欧盟标准EN300328和中国信部无[2002]353号文对某品牌蓝牙Mesh智能终端产品进行射频性能测试，以了解拥有强大组网能力的最新蓝牙Mesh技术它的射频表现和它对无线通信频谱、设备的影响分析。

3.3.1 测试样品选取

特引入某品牌经典蓝牙产品、及某品牌Zigbee产品在同一测试环境下进行射频性能测试，观察蓝牙Mesh产品射频性能表现，对蓝牙Mesh产品编号1#，经典蓝牙产品编号2#，Zigbee产品编号3#，记录相关射频性能指标数据。

3.3.2 测试场地和条件

选取拥有良好性能的屏蔽室进行传导法射频测试，维持测试在相同试验环境下进行：温度：25.4℃，相对湿度：58.9%，大气压强：101.0kPa。

设备清单（详见表1）。

表1 射频测试设备清单

测试布置（见图2）。

图2 测试布置图

3.3.3 测试项目及图谱分析

统一天线增益为1.5dBi，在频点2480 MHz处，选取典型射频测试项目：

1）最大等效全向辐射功率：天线的功率和指定方向上的相对等全向天线的増益（绝对或全向增益）的乘积，测试图谱见图3。

图3 大等效全向辐射功率

2）最大功率谱密度：当波的功率频谱密度乘以一个合适的系数后，得到的每单位频率波携带的功率，测试图谱见图4。

图4 最大功率谱密度

3）频率范围：最低有效回放频率与最高有效回放频率之间的范围，测试图谱见图5。

图5 频率范围

4）占用带宽（功率能量99%）：被测信号的频率下限之下和频率上限之上的带外所发射平均功率各等于某一给定发射的平均功率的0.5 %的一种带宽，测试图谱见图6。

图6 占用带宽

5）载频容限：是发射所占频带的中心频率偏离指配频率的最大容许偏差，测试图谱见图7。

图7 载频容限

6）带外发射功率：由于调制过程而产生的，刚超过必要带宽的一个或多个频率的发射，但杂散发射除外，测试图谱见图8。

图8 带外发射功率

3.3.4 测试数据及图表（详见表2）

表2 测试项目及结果

结合以上测试分析，在相同测试条件下，蓝牙Mesh产品在满足法规要求的射频参数外，在功耗方面都有不错的表现，这也充分证明蓝牙Mesh产品适应于智能家居环境的发展，低功耗，干扰小，且组网能力比Wi-Fi、Zigbee都有较大的优势，有比较广阔的应用前景。

4 结语

本文通过对蓝牙Mesh原理解析，对蓝牙Mesh产品进行典型射频参数的测试分析，得知蓝牙Mesh在强大组网能力外，他的射频参数表现优异，满足家居、楼宇智能等环境智能产品对无线电频谱管理的要求。另外，充分比较了蓝牙Mesh与Wi-Fi、Zigbee等短距离无线通信技术，比Wi-Fi连接快、数量多，比Zigbee方便、成本低，可以看出蓝牙Mesh具有低功耗、建立多对多(many:many)设备通信、高度安全、面向未来、方便升级等优点，介绍蓝牙Mesh技术对未来智能环境的应用，随着手机、音箱、灯具、电工等蓝牙庞大生态系统的建立，蓝牙Mesh技术将进一步推动整个物联网络的前进和发展。