關(guān)于藍(lán)牙5.3的三個(gè)重要更新

本文編譯自德州儀器e2e博客，https://e2e.ti.com/blogs_/b/process/posts/the-3-updates-application-developers-need-to-know-about-bluetooth-core-specification-version-5-3。

2021 年 7 月，藍(lán)牙特別興趣小組 (SIG) 發(fā)布了藍(lán)牙 5.3 版，開(kāi)發(fā)人員可以擁有更多的靈活性和配置選項(xiàng)。隨著此版本的發(fā)布，藍(lán)牙低功耗（BLE）的三個(gè)更新可以提高性能、降低功耗和減少設(shè)備的延遲，這些改進(jìn)與各種低功耗藍(lán)牙應(yīng)用和設(shè)備相關(guān)。

以下就深入了解這三個(gè)變化的細(xì)節(jié)和潛在應(yīng)用。

No. 1 Connection subrating 提高響應(yīng)能力

藍(lán)牙設(shè)備可以為連接間隔設(shè)置不同的持續(xù)時(shí)間，即設(shè)備在持續(xù)連接事件之間等待的時(shí)間。較長(zhǎng)的連接間隔可以節(jié)省功耗，而較短的連接間隔則響應(yīng)速度更快，并且可以在給定的時(shí)間內(nèi)發(fā)送更多的數(shù)據(jù)。

更改連接間隔會(huì)引入延遲。實(shí)際上，當(dāng)設(shè)備想要更改連接間隔時(shí)，至少需要六個(gè)連接事件來(lái)協(xié)商該更改，如圖 1 所示。

圖 1 - 更改連接間隔時(shí)的延遲

當(dāng)連接間隔因外部變化而從長(zhǎng)變?yōu)槎虝r(shí)，這六個(gè)事件占用的時(shí)間可能會(huì)成為問(wèn)題。例如，如果需要六個(gè)連接事件才能將連接間隔從 1 秒更改為 10 毫秒，那么用戶將必須等待 6 秒才能實(shí)現(xiàn)更改。

如果這種情況發(fā)生在對(duì)時(shí)間敏感的應(yīng)用程序中，比如簡(jiǎn)短的傳感器讀數(shù)，那么延遲可能是無(wú)法容忍的。但是，通過(guò)分等級(jí)連接，用戶可以減少?gòu)拈L(zhǎng)連接間隔變?yōu)槎踢B接間隔所需的等待時(shí)間。這是通過(guò)告訴中央和外圍設(shè)備跳過(guò)連接事件來(lái)實(shí)現(xiàn)的，具體取決于數(shù)據(jù)是否在最近的連接事件中發(fā)送。

要使用子速率連接，用戶必須指定兩個(gè)參數(shù)：子速率因子subrate factor和延續(xù)數(shù)continuation number。子速率因子等于已使用連接事件之間未使用連接事件的數(shù)量。如圖 2 所示，無(wú)論是否有數(shù)據(jù)要傳輸，每個(gè)子速率因子都必須使用一個(gè)連接事件。

圖 2 - 子速率因子告訴設(shè)備何時(shí)跳過(guò)連接事件

延續(xù)數(shù)等于設(shè)備在非空連接事件（在設(shè)備之間傳輸數(shù)據(jù)的連接事件）之后必須響應(yīng)的后續(xù)連接數(shù)。請(qǐng)記住，并非所有連接事件都會(huì)傳輸數(shù)據(jù)。有些僅用于保持設(shè)備之間的連接。

在圖 3 中，延續(xù)數(shù)為 1。請(qǐng)注意，在非空連接事件 (5) 之后，連接如何繼續(xù)處理，直到空連接事件 (8)，之后它們?cè)谙乱粋€(gè)子分級(jí)連接事件 ( 10）。

圖 3 – 連續(xù)編號(hào)表述連接不要跳過(guò) 6 和 7

這減少了與更改連接間隔相關(guān)的延遲，因?yàn)樗辉傩枰O(shè)備之間的協(xié)商。它現(xiàn)在可以為每個(gè)連接事件動(dòng)態(tài)執(zhí)行。

No. 2 中央和外圍設(shè)備的通道分類提高了可靠性

藍(lán)牙 協(xié)議將 2.4 GHz 頻帶分解為更小的 2 MHz 通道，設(shè)備在通信時(shí)會(huì)跨越這些通道。使用這種擴(kuò)頻策略可以減少數(shù)據(jù)包沖突和工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療無(wú)線電 (ISM) 頻段干擾，因?yàn)樵O(shè)備使用半隨機(jī)或有序序列頻繁更改信道。使用的這個(gè)通道序列稱為通道映射。

以前，中央設(shè)備自己決定頻道映射。如圖 4 所示，它將掃描 2.4 GHz 頻段中的不同信道，以告知哪些信道可用于流量。流量較多的信道將被排除，以降低數(shù)據(jù)包沖突的可能性。

圖 4 – 在通道分類增強(qiáng)之前，中央設(shè)備單獨(dú)設(shè)置通道映射

由于中央設(shè)備決定了優(yōu)先級(jí)，因此外圍設(shè)備對(duì)使用哪些通道沒(méi)有發(fā)言權(quán)。由于藍(lán)牙設(shè)備可以在越來(lái)越遠(yuǎn)的距離上進(jìn)行通信，外圍設(shè)備和中央設(shè)備的信道條件可能會(huì)有所不同。如果信道圖包含的信道似乎對(duì)中心位置沒(méi)有明顯干擾，但對(duì)外圍位置有明顯干擾，則這種差異會(huì)成為問(wèn)題，如圖 5 所示。

圖 5 - 在通道分類增強(qiáng)之前，通道 2 對(duì)外圍設(shè)備有噪聲，但中央設(shè)備不知道并將其包含在通道映射中

隨著將編碼 PHY 引入BLE，BLE 連接可以覆蓋的距離急劇增加。以電子貨架標(biāo)簽為例。只有中心設(shè)備由于標(biāo)簽被放置在整個(gè)零售空間中，因此控制頻譜空間的意義不大。從一個(gè)外圍設(shè)備的位置到另一個(gè)位置，通道條件可能會(huì)有很大差異，但這些都不會(huì)反映在通道映射中，通道映射是由中央單獨(dú)設(shè)置的。

借助新的通道分類增強(qiáng)功能，外圍設(shè)備可以將其通道分類報(bào)告給中央設(shè)備，以影響外圍設(shè)備和中央設(shè)備之間連接中使用的通道映射。這通過(guò)確保在設(shè)置信道映射時(shí)考慮到兩個(gè)設(shè)備的環(huán)境條件，降低了當(dāng)任一設(shè)備在擁塞環(huán)境中運(yùn)行丟失數(shù)據(jù)包的風(fēng)險(xiǎn)。

圖 6 – 通過(guò)通道分類增強(qiáng)，外圍設(shè)備可以從通道中拒絕干擾的通道 2

No. 3 周期性廣告功能增強(qiáng)省電

使用周期性廣告的BLE設(shè)備通常會(huì)多次發(fā)送信息，以增加傳輸?shù)亩鄻有圆⑻岣邟呙柙O(shè)備正確解碼的可能性。因此，偵聽(tīng)器設(shè)備可能會(huì)接收到同一分組的多個(gè)副本，并且會(huì)浪費(fèi)功率多次解碼同一信息。

現(xiàn)在，在周期性廣告中，發(fā)送設(shè)備可以在它們發(fā)送的數(shù)據(jù)包中包含一個(gè)AdvDataInfo 字段，以允許接收設(shè)備檢查它們之前是否已經(jīng)收到過(guò)這個(gè)數(shù)據(jù)包。如果是這樣，設(shè)備將停止接收，從而節(jié)省無(wú)線電的功耗。這種做法還可以讓設(shè)備避免將冗余數(shù)據(jù)包傳遞給主機(jī)。通過(guò)過(guò)濾傳遞給主機(jī)的內(nèi)容，低功耗設(shè)備可以通過(guò)忽略冗余數(shù)據(jù)包來(lái)節(jié)省更多能源。

這對(duì)于偵聽(tīng)BLE 信標(biāo)（如資產(chǎn)跟蹤標(biāo)簽）的電池供電的BLE 設(shè)備特別有用。他們希望將功耗降低到盡可能低以保持電池壽命，因此他們不能浪費(fèi)電力來(lái)處理冗余信息。通過(guò)此更新，他們將能夠?qū)崿F(xiàn)比以前更好的能源效率。

圖 7 - 第一個(gè)數(shù)據(jù)包得到處理

圖 8 - 第二個(gè)數(shù)據(jù)包被拒絕

作為藍(lán)牙 SIG 的成員，TI 一直倡導(dǎo)客戶的利益，并擁有一個(gè)獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)來(lái)幫助我們保持領(lǐng)先于創(chuàng)新。憑借我們的產(chǎn)品和專業(yè)知識(shí)，我們可以幫助您最大限度地利用低功耗藍(lán)牙的優(yōu)勢(shì)，包括：

提高響應(yīng)能力，同時(shí)通過(guò)連接子系統(tǒng)保持低功耗。

通過(guò)為外圍設(shè)備提供影響通道映射的選項(xiàng)來(lái)提高可靠性。

通過(guò)忽略冗余消息來(lái)降低功耗。