ESP32C3 BLE 发射功率调整及 RSSI 相关知识整理 - MilkeZhang 的网络笔记

1、BLE 发射功率级别 

在当前最新的蓝牙核心规范v5.3 中规定，BLE 发射设备的最大发射功率必须在 0.01 mW (-20 dBm) 和 100 mW (+20 dBm) 之间，并且根据 BLE 设备支持的最大输出功率 Pmax 分为以下四个功率级别

功率级别(Power Class) Requirements
功率级1 100 mW (+20 dBm) ≥ Pmax ? 10 mW (+10 dBm)
功率级1.5 10 mW (+10 dBm) ≥ Pmax ? 2.5 mW (+4 dBm)
功率级2 2.5 mW (+4 dBm) ≥ Pmax ? 1 mW (0 dBm)
功率级3 1 mW (0 dBm) ≥ Pmax ≥ 0.01 mW (-20 dBm)

2、RSSI 与灵敏度
RSSI 全称是Received Signal Strength Indication， 表示为接收的信号强度指示, 单位是 dBm,
是一个考征功率绝对值的值，计算公式为：10lgP（功率值/1mW），
例如发射功率 P为1mW，折算为dBm后为 0dBm，
如果发射功率 P 为 20W，
按dBm单位进行折算后的值应为：

10lg（20W/1mW)=10lg（20000）=10lg2+10lg10+10lg1000=43dBm

蓝牙扫描设备 (如手机,或者成为蓝牙接收机) 扫描或者显示的 RSSI 常为负值，
原因有两点：一是蓝牙发射设备的发射功率小，
有的是功率级3 的蓝牙设备，发射功率电平最高才为 0dbm；
二是路径损耗，主要指从发射机到接收机天线的能量消耗，和路径长度、周围环境、信号干扰都有很大关联，
这个也是信号强度衰减的主要因素 对于接收机灵敏度，在蓝牙核心规范v5.3 中对不同 PHY 有如下规定

PHY Sensitivity(dBm)
LE Uncoded PHYs ≤ -70
LE Coded PHY with S=2 coding ≤ -75
LE Coded PHY with S=8 coding ≤ -82

接收机灵敏度越小，收包的距离就越长，这可以作为评测蓝牙性能的一项指标，
一般可以在蓝牙芯片的 datasheet 中找到，
如 ESP32C3
LE Uncoded 1M PHY 灵敏度 @30.8% PER 典型值是 -97dbm,
LE Uncoded 2M PHY 灵敏度 @30.8% PER 典型值是 -93dbm,
LE Coded PHY with S=2 coding 灵敏度 @30.8% PER 典型值是 -100dbm,
LE Coded PHY with S=8 coding 灵敏度 @30.8% PER 典型值是 -105dbm，
这也可以大致看出 LE Coded PHY 的传输距离要长。

灵敏度 @30.8% PER 的含义 这个和蓝牙测试规范有关，参考BT4.0-RF-PHY.TS.5.0.1规范协议以下一段解释
大致意思是 37字节的有效负载时 368bit ,然后每一个有效负载位都出错率小于0.001 的可能性是 0.692，
反过来误码率就是 0.308 路径损耗与距离的非官方计算公式：path loss = 40 + 25log(d)， path loss 标识路径损耗，d标识发射机和接收机的距离。数据统计如下：

路径损耗（path loss） 距离（d）
50dbm       2.5m
60dbm       6.3m
70dbm       16m
80dbm       40m
90dbm       100m
100dbm     250m
110dbm     630m

以上可能是空旷环境下的数据，每个蓝牙设备的硬件结构以及所处传输环境差异较大，当然也并没有统一的计算公式。


3、ESP32C3 上如何设置发射功率
在ESP32C3 datasheet 上，发射功率的可控范围是 –24 ~ 21dBm,
代码中可以通过如下 API 进行设置(esp_ble_tx_power_set)和获取(esp_ble_tx_power_get)

typedef enum {
    ESP_BLE_PWR_TYPE_CONN_HDL0  = 0,            /*!< For connection handle 0 */
    ESP_BLE_PWR_TYPE_CONN_HDL1  = 1,            /*!< For connection handle 1 */
    ESP_BLE_PWR_TYPE_CONN_HDL2  = 2,            /*!< For connection handle 2 */
    ESP_BLE_PWR_TYPE_CONN_HDL3  = 3,            /*!< For connection handle 3 */
    ESP_BLE_PWR_TYPE_CONN_HDL4  = 4,            /*!< For connection handle 4 */
    ESP_BLE_PWR_TYPE_CONN_HDL5  = 5,            /*!< For connection handle 5 */
    ESP_BLE_PWR_TYPE_CONN_HDL6  = 6,            /*!< For connection handle 6 */
    ESP_BLE_PWR_TYPE_CONN_HDL7  = 7,            /*!< For connection handle 7 */
    ESP_BLE_PWR_TYPE_CONN_HDL8  = 8,            /*!< For connection handle 8 */
    ESP_BLE_PWR_TYPE_ADV        = 9,            /*!< For advertising */
    ESP_BLE_PWR_TYPE_SCAN       = 10,           /*!< For scan */
    ESP_BLE_PWR_TYPE_DEFAULT    = 11,           /*!< For default, if not set other, it will use default value */
    ESP_BLE_PWR_TYPE_NUM        = 12,           /*!< TYPE numbers */
} esp_ble_power_type_t;

/**
 * @brief Bluetooth TX power level(index), it's just a index corresponding to power(dbm).
 */
typedef enum {
    ESP_PWR_LVL_N24 = 0,              /*!< Corresponding to -24dbm */
    ESP_PWR_LVL_N21 = 1,              /*!< Corresponding to -21dbm */
    ESP_PWR_LVL_N18 = 2,              /*!< Corresponding to -18dbm */
    ESP_PWR_LVL_N15 = 3,              /*!< Corresponding to -15dbm */
    ESP_PWR_LVL_N12 = 4,              /*!< Corresponding to -12dbm */
    ESP_PWR_LVL_N9  = 5,              /*!< Corresponding to  -9dbm */
    ESP_PWR_LVL_N6  = 6,              /*!< Corresponding to  -6dbm */
    ESP_PWR_LVL_N3  = 7,              /*!< Corresponding to  -3dbm */
    ESP_PWR_LVL_N0  = 8,              /*!< Corresponding to   0dbm */
    ESP_PWR_LVL_P3  = 9,              /*!< Corresponding to  +3dbm */
    ESP_PWR_LVL_P6  = 10,             /*!< Corresponding to  +6dbm */
    ESP_PWR_LVL_P9  = 11,             /*!< Corresponding to  +9dbm */
    ESP_PWR_LVL_P12 = 12,             /*!< Corresponding to  +12dbm */
    ESP_PWR_LVL_P15 = 13,             /*!< Corresponding to  +15dbm */
    ESP_PWR_LVL_P18 = 14,             /*!< Corresponding to  +18dbm */
    ESP_PWR_LVL_P21 = 15,             /*!< Corresponding to  +21dbm */
    ESP_PWR_LVL_INVALID = 0xFF,         /*!< Indicates an invalid value */
} esp_power_level_t;

/**
 * @brief  Set BLE TX power
 *         Connection Tx power should only be set after connection created.
 * @param  power_type : The type of which tx power, could set Advertising/Connection/Default and etc
 * @param  power_level: Power level(index) corresponding to absolute value(dbm)
 * @return              ESP_OK - success, other - failed
 */
esp_err_t esp_ble_tx_power_set(esp_ble_power_type_t power_type, esp_power_level_t power_level);

/**
 * @brief  Get BLE TX power
 *         Connection Tx power should only be get after connection created.
 * @param  power_type : The type of which tx power, could set Advertising/Connection/Default and etc
 * @return             >= 0 - Power level, < 0 - Invalid
 */
esp_power_level_t esp_ble_tx_power_get(esp_ble_power_type_t power_type);
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如果 ESP32C3 使用多广播，怎样对每个广播设置不同的发射功率？

使用 esp_ble_gap_ext_adv_set_params 函数设置， 扩展广播参数结构体 esp_ble_gap_ext_adv_params_t 中有 tx_power 选项

/**
* @brief ext adv parameters
*/
typedef struct {
    esp_ble_ext_adv_type_mask_t type;   /*!< ext adv type */
    uint32_t interval_min;              /*!< ext adv minimum interval */
    uint32_t interval_max;              /*!< ext adv maximum interval */
    esp_ble_adv_channel_t channel_map;  /*!< ext adv channel map */
    esp_ble_addr_type_t own_addr_type;  /*!< ext adv own address type */
    esp_ble_addr_type_t peer_addr_type; /*!< ext adv peer address type */
    esp_bd_addr_t peer_addr;            /*!< ext adv peer address */
    esp_ble_adv_filter_t filter_policy; /*!< ext adv filter policy */
    int8_t tx_power;                    /*!< ext adv tx power */
    esp_ble_gap_pri_phy_t primary_phy;  /*!< ext adv primary phy */
    uint8_t max_skip;                   /*!< ext adv maximum skip */
    esp_ble_gap_phy_t secondary_phy;    /*!< ext adv secondary phy */
    uint8_t sid;                        /*!< ext adv sid */
    bool scan_req_notif;                /*!< ext adv scan request event notify */
} esp_ble_gap_ext_adv_params_t;
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是通过如下 HCI 命令传输给 Controller 进行处理的

广播中的 tx power 结构数值是以补码形式表示的，比如 数值是 -21dBm， 补码就是 0xeb， 广播中的 tx power 结构数值是其声称的发射功率，也可能是虚假的。