使用BLE 4.2的系統設計：更快、更安全、更節能

提到家庭和工業自動化、物聯網(IoT)、可穿戴設備、人機接口設備(HID)眾多應用的無線連接協議時，藍牙一定是首選。為滿足各種應用的需求，藍牙技術聯盟(SIG)對藍牙規格進行了持續改進。發布4.1版大約一年后， SIG在2014年12月藍牙發布了藍牙規范4.2版。新的4.2主要包括三項更新 - 低功耗(LE)數據長度擴展(DLE)、鏈路層(LL)隱私保護以及安全性加強。這些功能提高了BLE數據帶寬、隱私保護和安全性，同時還有助于降低功耗。本系列文章將詳細討論這些功能以及它們如何影響系統性能。

藍牙低功耗(BLE)協議棧可以分成三個部分：

控制器：協議棧控制器對數據包進行了加密，轉換為無線信號發送。在接收時，控制器將對無線信號解碼，并重構數據包。

主機：主機由管理兩個或多個設備相互通信的各種協議和配置文件(安全管理器、屬性協議等)組成。

應用：可使主機和控制器實現一個特定功能的用例。

鏈路層(LL)

藍牙4.2的大部分新功能都集中在鏈路層周圍。鏈路層在建立可靠物理鏈路和功能中扮演著非常重要的角色，有助于提高BLE協議穩健性和能效。鏈路層功能包括廣播、掃描、創建和維護連接以建立物理鏈路。在鏈路層上定義了兩個角色：主設備和從設備。

數據長度擴展(DLE)

數據長度擴展能夠使兩個BLE設備之間的數據傳輸更快。為了了解DLE功能，請先讓我們來看看鏈路層上的BLE數據包。下圖所示為藍牙4.0/4.1的鏈路層數據包結構。

如果我們仔細觀察各數據包的開銷，將發現存在1個字節的前導、4個字節的訪問地址、2個字節的數據頭、3個字節的循環冗余檢查(CRC)和一個可選的4個字節的消息完整性檢查(MIC)。當使用加密時，消息完整性檢查(MIC)將與有效負載一起發送。因此，每個包含27個字節數據的加密鏈路層數據均含有14個字節的開銷。現在，讓我們來看看藍牙4.2定義的鏈路層數據包結構。

相較于舊版本藍牙規范的27字節，藍牙4.2中的有效負載量可達到251個字節。每個數據包開銷仍然保持不變，即14個字節。然而，該開銷現已與多達251個字節相關聯，而不是27個字節。這種最小有效負載的變化提高了吞吐量并減少了處理時間。

圖4所示為當數據需要通過藍牙4.1和藍牙4.2從一個設備傳輸至另一個設備時的吞吐量。

在上圖中，數據包時間的計算方法如下：

數據包時間= 8 *(前導字節的數量+訪問地址字節的數量+頭字節的數量+有效負載字節的數量+ MIC字節的數量+ CRC字節的數量)/數據速率 秒

對于接收數據包，不存在有效負載和MIC字節。因此，接收數據包時間為：

發送數據包時間= 8 *(1 + 4 + 2 + 3)/ 106 秒

=80微秒

含27個字節的有效負載的發送數據包時間為：

發送數據包時間= 8 *(1 + 4 + 2 + 27 + 4 + 3)/ 106秒

=328微秒

同樣，251個字節的有效負載的發送數據包時間為2120微秒。

另外，如上圖所示，隨著各發送/接收數據包，存在兩個相關的幀間間隔(T_IFS)，一個為發送期間，一個為接收期間。如果某個事務的幀數量增加，則該事務的耗時也將成比例地增加。當數據長度功能被啟用時，相較于藍牙4.1，藍牙4.2在一個幀內打包了更多數據，從而減少了每次事務處理的總時間，并增加了吞吐量(其中，吞吐量 =有效負載尺寸/總時間)。

如上圖所示，對于藍牙4.1鏈路層，最大有效負載尺寸為27個字節(216比特)以及該交易的總時間為708微秒，意味著約 298 kbps的理論吞吐量。

而對于4.2鏈路層，最大有效負載尺寸為251個字節(2008比特)以及總時間為2500微秒，意味著約 784 kbps的理論吞吐量。因此，相較于藍牙4.1，藍牙4.2提供了大約2.6倍的更高吞吐量。

BLE 4.2允許主設備和從設備之間協商數據長度，還允許不對稱的發送和接收有效負載量。有效地利用該功能以及選擇合適的接收/發送數據長度對于實現最大吞吐量具有十分重要的意義。

讓我們考慮這樣一個應用：BLE從設備需要將幾千字節傳輸至主設備、從主設備接收空包并且連接間隔為8.75毫秒。假設在以下設置中協商數據長度(從設備)：

情景1 – 發送 - 251個字節，接收 - 251字節

情景2 – 發送 - 251個字節，接收 - 27字節

在情景1中，如圖5所示，在第一次接收/發送數據包時，接收有效負載尺寸為0字節以及發送有效負載尺寸為251個字節，耗時2.5毫秒(包括幀間間隔)。第二次接收/發送數據包也是一樣的。這兩個接收/發送數據包共耗時5毫秒，在此連接間隔內剩下3.85毫秒。在理想情況下，應該在同一連接間隔內存在另一個接收/發送數據包。但是，主設備的調度器不會在此連接間隔內安排另一個接收/發送數據包。這是因為調度器會基于協商的數據長度(本案例中發送/接收的數據長度均為251)來檢查發送/接收數據包是否具有足夠的時間。如圖所示，含有接收和發送有效負載量為251字節的接收和發送數據包需要4.54毫秒。然而，前兩個數據包之后的可用時間為3.85毫秒，這導致在本連接間隔內僅2個發送數據包。

在情景2中，在該連接間隔內，調度器僅需要2.64毫秒就可調度一個數據包，因此在8.75毫秒的連接間隔內可以容納第三個數據包，如圖6所示。如圖所示，相對于案例1，本案例將提供高于50%的吞吐量。

盡管PDU尺寸的選擇會影響吞吐量，但還存在對其產生影響的其他因素，比如，連接間隔和最大傳輸單元(MTU)。

數據長度的擴展可通過任何連接設備的控制器來觸發。如果兩個設備都支持數據長度的擴展功能，則該設備可發送一個獲取更新數據長度的請求，而其他設備將通過其自己的參數來做出響應。圖7所示為協商進程。

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