蓝牙5.0有哪些新特性？

Brandon

作者：Mahendra Tailor, Laird

这篇博客总结了蓝牙5.0规范中引入的一些新特性和新优势。



从最初几次作为草案版本的迭代协议到首次发行的v1.0版本，蓝牙已经存在了大概有20年。自那时起，版本1.2、2.0、2.1、3.0、4.0、4.1、4.2以及最近在2016年12月发布的蓝牙5.0，每个版本都带来了显著的增强和优势。其中作为分水岭的蓝牙4.0版本引入了蓝牙低功耗（BLE）技术——又叫做“Bluetooth Smart”（值得注意的是，随着蓝牙5.0的发布，蓝牙SIG已经改变了他们的品牌战略，即取消了“Bluetooth Smart”的叫法）。最初，BLE的设计目标是低功耗、窄带宽、不支持任何音频功能，因为它的主要用例是通过无线的方式消耗尽可能少的能量用来传输少量数据。这种新的无线通信提供了1M symbols /秒原始数据速率（PHY层），但是由于L2CAP和GATT等协议的开销，有效数据传输速率最高只有250kbps。与此同时，物联网领域也变得炽手可热，因为OEM器件厂商们都打算投资为无数的电池供电设备准备的短距离无线通信技术，所有这些设备都通过智能手机/平板电脑来显示数据或者把数据上传到云端。

在阅读下文之前需要注意的几点：

• 蓝牙5.0中所有显著的增强都是针对BLE的，没有任何新功能跟传统蓝牙有关；
• 蓝牙5.0核心规范已经发布，但是在这之后需要相当长的时间才会有相应的芯片、协议栈以及像我们这样的终端模组提供商提供所有必要的硬件、软件和调试工具来发挥蓝牙5.0的优势；
• 蓝牙5.0连接的另一端同样需要引起我们的注意——如果你使用的是智能手机或者平板电脑，则需要等待大概6到18个月的时间，才能在市场上找到符合最新蓝牙规范的设备。
  
  

蓝牙5.0希望通过BLE物理层的多种增强以及将最大发射功率从+10dBm提升到+20dBm来应对来自于物联网应用中不断变化的距离和速度需求。从某种意义上来说，一种新的PHY层扩展了通信距离，但是降低了数据传输速率，另一种新的PHY层提供了2倍速度的提升，由于无线电利用率是之前PHY的2倍，所以这种方式提供了更高效的批量数据传输。高速PHY也为以后基于BLE的音频传输奠定了基础（类似于现在的传统蓝牙，指BLE4.0之前所有蓝牙规范中的音频功能），因为蓝牙5.0已经规定了通过广播信道或同步数据信道传输音频的可能性，所以这些功能都可能会在未来版本中引入。


2倍的原始数据速率（PHY层）
蓝牙5.0标准引入了一种称为“LE 2M”的新的PHY层，它将任何之前的PHY层（都一样）原始速率加倍，达到了2M symbols /秒，这意味着通过链路层发送的相同数据在蓝牙5.0标准中只需要之前一半的时间。这样的话，无线电在发送数据时运行的时间会更短，从而提供更低的功耗以及更长的使用寿命。这些特性对目前物联网中使用纽扣电池供电的无线设备来说，具有很强的吸引力。


LE Long Range
蓝牙5.0标准还引入了另一种称为“LE Coded”的可选的新PHY层，该层的速率仍然是1M symbols /秒，但是使用了扩展因子为2或8的FEC分组编码，使速度分别降低到500kbps或125kbps，另一方面，最大发射功率增加到+20dBm，以上两点使通信范围扩展了4倍，这同时适用于广播包和数据包。

该功能的好处是建筑物中无线电信号将具有更好的穿透性，结合规范4.2中引入的安全增强特性，产品设计人员能够设计出更好的家庭自动化产品。

就功耗而言，这些分组的持续时间大概是之前的2到8倍，最长的大约有16毫秒，所以使用该功能发送相同数量的数据，功耗将会相应地增加，电池寿命也会相应减少。


LE Advertising Extensions
BLE（BTv4.x以上）工作在2.4GHz频段，由40个信道组成，每个信道宽2MHz。在40个信道中，3个信道专门用于广播，另外37个信道用于数据传输。在广播信道上，广播间隔一般不会小于20毫秒，更常见的广播间隔在100毫秒以上。在数据信道上，连接间隔最小可以为7.5毫秒，这可以实现更高的数据吞吐量。请牢记上面这一点，这在后面的内容中还会提到。

在广播时，相同的广播数据会在3个广播信道上连续广播，我将这种方式称之为“ping/ping/ping”（有点意思）。广播数据包（现在也称为第1广播数据包，5.0中还有第2广播数据包），包含的数据长度不能超过31个字节。

蓝牙5.0的增强规范中允许广播分组包在数据通道中传输（规范中常常将他们标记为“secondary advert channels”）。在这些数据通道中，每个数据包可以长达255个字节，并且可以以7.5毫秒的最小间隔发送数据。

为了确保传统的BLE设备与蓝牙5.0规范相兼容，定义了一种新的第1广播数据包。第一广播数据包具有标题值，使得旧设备在传统广播信道中看到时将丢弃他们。这种新的第一广播数据包用来指向数据通道中的第二广播数据包（第二广播数据包再指向第三广播数据包，以此类推）。

简单来说，考虑到第一广播包包含的有效荷载并非是已存在的广播包定义的广播数据元素，而是一种称之为“common extended advertising payload”的新型有效荷载，其中包含数据通道号和基于第一广播包的时间偏移量。总之，该广播包的接收者将能够准确地知道何时何地收听包含数据的链接广播包以及提取出指向下一个链接广播包的指针信息（如果需要）。这些内容在下面的图中都有说明，其中链接广播包所能携带的数据总量可以高达1500个字节（但是每个单独的数据包携带的数据不能超过255字节）。



这些链接广播包的优势在于应用程序无需关心数据是如何分段的。预计BLE协议栈将提供接收单个长数据的API，并且可以合理地决定使用哪些数据通道以及何时发送数据。另一方面，预计接收设备的BLE协议栈将整理好所有数据并在接收完成时将其呈现给应用程序。

这种增强型广告的变体涉及例如音频的数据同步发送，用例是博物馆中展品相关的音频解说以及旅游团中导游的讲解。在这种情况下，新的第一广播包指的是辅助广播包，该辅助广播包又指定以已知步调跳跃的“无连接”分组序列。步调信息和访问地址码由该辅助广播包提供，该辅助广播包使得接收设备能够转到音频流。这些内容在下图中都有说明，其中橙色数据包包含压缩音频信息。



如您所见，第一广播包会定期重复，这确保了新的侦听器始终能够通过拾取辅助数据包（红色）中的信息来收听音频（橙色）。反过来，这是使用第一广播通道上的第一通道（绿色）来定位的。这种蓝牙5.0特性增强的好处在于无需更改无线电硬件。他基本上只需要芯片组制造商提供更新版本的堆栈来公开此功能即可。

LE Advertising Extensions是一项重大改进，提供了各种用例。以下是推广信息，不译。


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