導讀:藍牙技術(shù)聯(lián)盟(Bluetooth SIG)最近推出了藍牙核心規(guī)范6.0版本,為專注于提升藍牙設(shè)備之間的交互體驗、定位的精確度、數(shù)據(jù)傳輸?shù)男室约澳芎墓芾淼?,新增信道探測(Channel Sounding)、鏈路層功能集擴展(LL Extended Feature Set)、基于決策的廣播過濾(Decision-Based Advertising Filtering)、ISOAL增強功能(Enhancements for ISOAL)、監(jiān)測廣播設(shè)備(Monitoring Advertisers)、幀間隔更新(Frame Space Update)特性。
藍牙技術(shù)聯(lián)盟(Bluetooth SIG)最近推出了藍牙核心規(guī)范6.0版本,相較于之前的版本,這一最新規(guī)范引入了多項新特性。這些新特性專注于提升藍牙設(shè)備之間的交互體驗、定位的精確度、數(shù)據(jù)傳輸?shù)男室约澳芎墓芾淼取P略鎏匦匀缦拢?/p>
信道探測(Channel Sounding)
鏈路層功能集擴展(LL Extended Feature Set)
基于決策的廣播過濾(Decision-Based Advertising Filtering)
ISOAL增強功能(Enhancements for ISOAL)
監(jiān)測廣播設(shè)備(Monitoring Advertisers)
幀間隔更新(Frame Space Update)
一 信道探測(ChannelSounding)
隨著物聯(lián)網(wǎng),智能家居,汽車數(shù)字鑰匙等領(lǐng)域的快速發(fā)展,對藍牙設(shè)備間的高精度定位需求日益增加。傳統(tǒng)的藍牙RSSI(接收信號強度指示)和AoA/AoD(到達角/離開角)定位技術(shù)只能提供粗略的距離信息,易受環(huán)境干擾和安全性不高等問題。鑒于以上需求及現(xiàn)有技術(shù)的缺點,藍牙技術(shù)聯(lián)盟推出了藍牙信道探測技術(shù)(Channel Sounding)。
Channel Sounding包含了兩種不同的距離測量方法:
相位測距(PBR):利用無線電信號的相位特性,通過測量不同頻率信號的相位變化來估算距離。
往返時間(RTT):通過測量信號在兩個設(shè)備間往返的時間來計算飛行時間(ToF),從而估算距離。
Channel Sounding的優(yōu)勢:
高精度:相較于RSSI技術(shù),Channel Sounding技術(shù)的定位精度可達到厘米級,滿足更多高精度定位需求。
抗干擾能力強:通過相位測量和RTT測量相結(jié)合的方式,提高了測距的抗干擾能力。
安全性高:集成了多種安全機制,有效防止距離欺騙等攻擊。
Channel Sounding應用場景:
汽車數(shù)字鑰匙:提供更安全、便捷的汽車無鑰匙進入和啟動體驗。
智能家居:實現(xiàn)智能家居設(shè)備間的精確位置感知和自動化控制。
物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備:提升物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的定位精度和安全性。
二 鏈路層功能集擴展(LLExtendedFeatureSet)
藍牙低功耗(BLE)鏈路層(Link Layer)是BLE協(xié)議棧的重要組成部分,定義了許多功能,也被稱為特性(Feature)。對一個特性的支持通常是可選的,在使用一個Feature之前,需要知道對方是否支持該Feature。藍牙核心規(guī)范6.0之前,這些Feature通過64 bits(8字節(jié))的特征集(FeatureSet)來標識,且可以通過Feature交互流程(LL_FEATURE_REQ/LL_PERIPHERAL_FEATURE_REQ/LL_FEATURE_RSP)來交互雙方支持的Feature。
如下圖所示,在藍牙核心規(guī)范6.0之前,只有bit 63還未分配。然而,隨著BLE技術(shù)的不斷發(fā)展和功能多樣化,64 bits已經(jīng)不能滿足需求。
藍牙核心規(guī)范6.0將特征集(FeatureSet)的大小擴展至1984 bits,以支持未來藍牙技術(shù)的發(fā)展。核心規(guī)范6.0將bit 63定義為 LL Extended Feature Set,如下圖所示:
Central和Peripheral使用LL_FEATURE_REQ/LL_PERIPHERAL_FEATURE_REQ/LL_FEATURE_RSP交互雙方支持Feature的時候,如果發(fā)現(xiàn)bit 63 (LL Extended Feature Set)為1,那就使用LL_FEATURE_EXT_REQ/LL_FEATURE_EXT_RSP繼續(xù)交互其他支持的Feature。
三 基于決策的廣播過濾(Decision-BasedAdvertisingFiltering)
我們知道 Extended Advertising首先在Primary Channel(37/38/39)上傳輸ADV_EXT_IND PDU,該PDU不包含應用層數(shù)據(jù)。在某些情況下,掃描設(shè)備必須根據(jù)AuxPtr,在Secondary Channel上接收關(guān)聯(lián)的AUX_ADV_IND PDU,并檢查AdvData有效載荷字段的內(nèi)容,然后才能確定對廣播的數(shù)據(jù)是否有興趣。為此,它必須停止在Primary Channel上的掃描,并切換到在AuxPtr字段中指示的Secondary Channel上進行掃描。可能很多時候會發(fā)現(xiàn)對廣播數(shù)據(jù)并沒有興趣。這就會出現(xiàn)一個問題,掃描設(shè)備根據(jù)AuxPtr在Secondary Channel上掃描期間,它不再在Primary Channel上掃描,因此可能會錯過相關(guān)的數(shù)據(jù)包。這種情況:根據(jù)AuxPtr掃描并接收沒有興趣的數(shù)據(jù)包,被稱為“干擾”,干擾降低了掃描設(shè)備的工作效率。雖然可以使用ADI字段來避免重復PDU的掃描接收,但是對于一些場景,這是不夠的。
藍牙核心規(guī)范6.0使用了一種新類型的擴展廣播ADV_DECISION_IND。Decision-Based Advertising Filtering就是:允許掃描設(shè)備通過Primary Channel掃描到的ADV_DECISION_IND PDU內(nèi)容來決定是否在AuxPtr指定的Secondary Channel上掃描相關(guān)數(shù)據(jù)包。如果Primary Channel掃描到的ADV_DECISION_IND PDU不是掃描設(shè)備需要的,那么就不需要再去掃描對應的Secondary Channel,以此來解決“干擾”問題。
四 ISOAL增強功能(EnhancementsforISOAL)
傳統(tǒng)上,ISOAL的作用是將較大的服務(wù)數(shù)據(jù)單元(SDU)能夠分割為較小的鏈路層協(xié)議數(shù)據(jù)單元(PDU)進行傳輸,同時保證接收端能夠準確無誤地重構(gòu)原始數(shù)據(jù)。整個過程如下圖所示:
然而,Segmentation/Reassembly這一過程中存在兩個問題:
首先是可靠性問題。在無線通信環(huán)境中,都有一定的丟包概率。當SDU被分割成多個PDU進行傳輸時,任何一個PDU的丟失都可能導致整個SDU的完整性受損,從而增加了數(shù)據(jù)傳輸失敗的風險。
其次是延遲問題。分段傳輸機制要求接收端的上層協(xié)議必須等待SDU的所有分段全部到達后才能開始處理,這在實時性要求較高的應用場景(如音頻傳輸)中尤為不利,因為等待時間直接轉(zhuǎn)化為音頻的延遲,影響用戶體驗。
為了解決這些問題,藍牙核心規(guī)范6.0引入了ISOAL Unsegmented模式,這種模式不使用分段傳輸方式。在Unsegmented模式下,每個來自上層的SDU都被直接封裝進一個PDU中進行傳輸,實現(xiàn)了上層SDU與鏈路層PDU之間的一對一映射。這種方式不僅降低了SDU因分段而整體丟失的風險,還消除了因等待分段重組而產(chǎn)生的延遲,為需要高可靠性和低延遲的數(shù)據(jù)傳輸場景(如音頻)提供了有力的支持。
五 監(jiān)測廣播設(shè)備(MonitoringAdvertisers)
藍牙規(guī)范一直有一個策略Filter_Duplicates:Observer Host可以指示BLE Controller過濾重復的廣播數(shù)據(jù)包,對于重復的廣播包只上報一次,以提升處理效率。
但Filter_Duplicates也帶來了一個問題:在Observer Host嘗試連接Advertiser時,無法確認目標設(shè)備是否仍處于射頻(RF)有效范圍內(nèi),Observer Host執(zhí)行掃描操作,這一過程能耗較高,尤其是對于不在通信范圍內(nèi)的設(shè)備掃描,更是無謂的能量消耗。
針對這個問題,藍牙核心規(guī)范6.0采用了Monitoring Advertisers機制。簡單來說就是:每當Observer Host所關(guān)注的設(shè)備進入或離開其RF有效覆蓋區(qū)域時,BLE Controller能夠即時通過HCI事件LE Monitored Advertisers Report event向Host發(fā)送通知。
Monitoring Advertisers機制不僅確保了Host能夠?qū)崟r掌握設(shè)備的存在狀態(tài),還極大地減少了不必要的掃描操作,從而降低Observer設(shè)備的功耗。
六 幀間隔更新(FrameSpaceUpdate)
IFS(Inter Frame Space)是在同一Channel上發(fā)送的兩個連續(xù)數(shù)據(jù)包之間的時間間隔,即前一個數(shù)據(jù)包最后一個bit結(jié)束 到 后一個數(shù)據(jù)包第一個bit開始之間的時間。藍牙核心規(guī)范6.0之前版本,這段時間為150us的固定值,我們稱之為T_IFS。
T_MSS(Minimum Subevent Space)表示:一個Subevent中的最后一個數(shù)據(jù)包的最后一個bit結(jié)束 到 下一個Subevent中的第一個數(shù)據(jù)包的第一個bit開始之間的最小間隔時間稱為Minimum Subevent Space。Minimum Subevent Space稱之為“T_MSS”,值為150us。
藍牙核心規(guī)范6.0之前 ACL和CIS對應的Frame Space如下圖所示:
藍牙核心規(guī)范6.0對Frame Space進行了以下更改:
ACL和CIS的T_IFS/T_MSS不再固定為150μs。
T_IFS/T_MSS默認值仍為150μs。建立連接后,可由Central和Peripheral進行協(xié)商。
協(xié)商的T_IFS/T_MSS范圍為0~10000us,允許的誤差仍然是±2us。
不同的LE PHY(1M、2M和coded)可以使用不同的T_IFS/T_MSS。
注:藍牙核心規(guī)范6.0對Space Frame的更改,僅作用于ACL和CIS的T_IFS/T_MSS。
藍牙核心規(guī)范6.0更新后的ACL和CIS Frame Space如下圖所示:
Frame Space Update意義
縮短T_IFS(幀間間隔)加速了數(shù)據(jù)傳輸,從而提升了連接設(shè)備間的整體吞吐效率,這對于追求極致響應速度的高性能應用,如游戲手柄等,具有明顯的優(yōu)化效果,確保了更快的反應時間、更加流暢的操作。
在LE Audio應用中,縮短T_IFS的作用尤為突出。它不僅加快了音頻數(shù)據(jù)包的傳輸速度,有效降低了音頻延遲,并且數(shù)據(jù)傳輸時間的減少使得無線干擾碰撞風險降低,進一步保障了音頻的穩(wěn)定性。此外,帶寬的增加可以執(zhí)行更多次的有效重傳,從而顯著增強了音頻的傳輸質(zhì)量和用戶體驗。
相比之下,對于處理能力相對有限的芯片而言,延長T_IFS則是一種比較好的方案。較長的T_IFS為這些芯片提供了更為充裕的時間來處理接收到的數(shù)據(jù)包。
七 結(jié)語
隨著藍牙核心規(guī)范6.0的發(fā)布,諸多創(chuàng)新特性與功能增強將進一步拓展藍牙技術(shù)的應用邊界。
更多藍牙技術(shù)詳細信息,在物聯(lián)傳媒及AIoT星圖研究院最新發(fā)布的《2024短距物聯(lián)——中國Wi-Fi/藍牙/星閃產(chǎn)業(yè)研究白皮書》中均得到披露,掃描下方二維碼即可免費閱讀報告完整版!