基于低能耗藍牙的半雙工語音通信

　　摘要：低能耗藍牙被業(yè)界廣泛認為是實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)(IoT)應(yīng)用愿景的關(guān)鍵技術(shù)。事實上，極低的功耗使其成為電池供電的物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品最理想的無線通信解決方案，盡管目前低能耗藍牙技術(shù)規(guī)范還是局限于幾種特定應(yīng)用，但是，創(chuàng)新的解決方案可促使這項技術(shù)拓展到不同的應(yīng)用領(lǐng)域，例如，多媒體流。按照這個發(fā)展方向，本文介紹一個叫做BlueVoice的低能耗藍牙設(shè)備語音流應(yīng)用。

　　本文從支持語音流服務(wù)所需的擴展服務(wù)集開始介紹BlueVoice應(yīng)用，然后在實際硬件設(shè)備上評估BlueVoice的性能。在所選的硬件平臺上，BlueVoice應(yīng)用完全支持語音流服務(wù)，同時避免能源浪費。

　　I. 前言

　　經(jīng)歷過去幾十年的快速增長，互聯(lián)網(wǎng)幾乎滲透到人類社會日常生活的方方面面。未來互聯(lián)網(wǎng)將擴展到萬物互聯(lián)，數(shù)十億甚至數(shù)百億個有唯一身份的“物品”通過無線通信與人類和周圍環(huán)境交互，執(zhí)行高級任務(wù)。在這一構(gòu)想中，“物品”可能是傳感器、致動器、家電、玩具，總之，可以是任何能夠被識別的虛擬或?qū)嶓w物品，這種互聯(lián)網(wǎng)演進構(gòu)想被稱為物聯(lián)網(wǎng)(IoT)。

　　物聯(lián)網(wǎng)概念是通過標準協(xié)議解決方案(即互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議)和無線通信接口，把所有產(chǎn)品設(shè)備連接在一起，組成一個全球網(wǎng)絡(luò)。實現(xiàn)萬物互聯(lián)，雖然可以使用現(xiàn)有的大量的射頻通信技術(shù)，但是當物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品是部署在現(xiàn)場的自主型電池供電裝置時，低功耗無線通信技術(shù)才會是最適合的通信解決方案。在這個方面，低能耗藍牙(Bluetooth LE) [1]技術(shù)被視為最有效的物聯(lián)網(wǎng)通信解決方案，同時正在融入互聯(lián)網(wǎng)世界[2]。

　　在今天的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中，低能耗藍牙解決方案主要用于生命參數(shù)監(jiān)視用途。除傳統(tǒng)的監(jiān)視服務(wù)外，近幾年業(yè)界開始探索基于其它技術(shù)的先進應(yīng)用。例如，參考文獻[3]提出并分析了基于IEEE802.15.4的網(wǎng)絡(luò)[4]語音通信。在這個方面，通過低能耗藍牙傳輸多媒體數(shù)據(jù)還是處于起步階段，缺少可用的解決方案主要是因為最初設(shè)想時未考慮到這些應(yīng)用(例如，最初主要考慮的是醫(yī)療、健身等應(yīng)用)。本文以在低能耗藍牙設(shè)備上支持語音流服務(wù)的BlueVoice應(yīng)用為例，探討如何解決這些技術(shù)限制問題。我們先了解一下低能耗藍牙技術(shù)，然后詳細介紹支持該新應(yīng)用概念所需的擴展服務(wù)集，再介紹應(yīng)用設(shè)計，最后在STM32 Nucleo L476板上測試實際性能。

　　本文的有要內(nèi)容安排如下：第二章介紹低能耗藍牙工作原理，先描述整個工作棧;然后介紹配置文件(Profiles)概念。第三章介紹應(yīng)用方案設(shè)計，描述其低能耗藍牙配置文件，然后介紹其設(shè)計原則、設(shè)計實現(xiàn)及實際性能。第四章是結(jié)論。

　　II. 低能耗藍牙技術(shù)概述

　　BLE低能耗藍牙規(guī)范于2010年寫入藍牙4.0核心規(guī)范，盡管與基本藍牙相似，但是低能耗藍牙規(guī)范主要是為超低功耗應(yīng)用設(shè)計開發(fā)。通過低能耗藍牙技術(shù)連接電池供電設(shè)備的潛在應(yīng)用非常少，醫(yī)療、健身和智慧家居是其中僅有的幾例。

　　圖1. 低能耗藍牙協(xié)議棧

　　如圖1所示，低能耗藍牙協(xié)議?？傮w結(jié)構(gòu)主要由兩個部分組成：控制器和主機。應(yīng)用軟件使用協(xié)議棧主機層的協(xié)議提供的服務(wù)。主機層分為五層：邏輯鏈路控制和適配協(xié)議(L2CAP)、屬性協(xié)議(ATT)、通用屬性配置文件(GATT)、安全管理協(xié)議(SM)、通用訪問配置文件(GAP)?？刂破鞑糠种挥袃蓪樱何锢韺?PHY)和鏈路層(LL)。如圖1所示，主機-控制器(HCI)接口是控制器與主機的通信通道。

　　物理層負責比特調(diào)制，通過無線通道收發(fā)數(shù)據(jù)。最高數(shù)據(jù)速率是1 Mb/s，典型通信距離是幾十米。

　　鏈路層規(guī)定兩個設(shè)備之間雙向通信的功能。低能耗藍牙節(jié)點有兩個角色：主設(shè)備和從設(shè)備。通常是主設(shè)備(例如，筆記本電腦、智能手機)搜索從設(shè)備(例如，體感設(shè)備);必要時，從設(shè)備向主設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù)。從設(shè)備通常處于睡眠狀態(tài)，并在固定間隔內(nèi)喚醒，以便被主設(shè)備搜到。

　　在鏈路層之上，邏輯鏈路控制和適配協(xié)議(L2CAP)有兩個主要功能。該協(xié)議的主要作用是提供多路傳輸功能，按照標準低能耗藍牙分組數(shù)據(jù)格式，封裝轉(zhuǎn)換頂層多協(xié)議數(shù)據(jù)。安全管理協(xié)議(SM)和通用訪問配置文件(GAP)分別提供數(shù)據(jù)安全和服務(wù)管理功能。詳細的說，安全管理協(xié)議定義密鑰的生成方式，以及如何在兩個設(shè)備(主從設(shè)備)之間交換密鑰，建立安全加密通信通道，而通用訪問配置文件則規(guī)定兩個設(shè)備如何在底層交互操作

　　屬性協(xié)議(ATT)和通用屬性配置文件是開發(fā)新應(yīng)用時需要重點考慮的兩個協(xié)議組件。屬性協(xié)議是一個無狀態(tài)的客戶機/服務(wù)器協(xié)議：不考慮設(shè)備的底層角色是主設(shè)備還是從設(shè)備，每個設(shè)備都可以設(shè)為服務(wù)器、客戶機或是客戶機兼服務(wù)器。客戶機請求服務(wù)器數(shù)據(jù)發(fā)送數(shù)據(jù)，服務(wù)器向客戶機發(fā)送數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)以屬性的形式保存在服務(wù)器內(nèi)，每個屬性都含有GATT管理的數(shù)據(jù)，而且該數(shù)據(jù)被分配一個通用唯一標識符(UUID)。通過一個L2CAP專用通道，屬性協(xié)議在服務(wù)器屬性與客戶機之間建立一條通信通道。通用屬性配置文件(GATT)在屬性協(xié)議層添加一個數(shù)據(jù)抽象模型，負責搜索屬性協(xié)議保存的數(shù)據(jù)，在兩個設(shè)備之間交換特征。每個低能耗藍牙設(shè)備都有一套可能屬性(存儲服務(wù))和特征(與存儲服務(wù)相關(guān)的屬性)。如果在低能耗藍牙棧上建立一個新應(yīng)用，則必須定義屬性和特征。某一特定應(yīng)用的特征、屬性和底層規(guī)范合稱配置文件，標準配置文件可保證不同品牌的產(chǎn)品能夠互聯(lián)互通。

　　III. BLUEVOICE應(yīng)用

　　下面我們介紹BlueVoice應(yīng)用，首先定義語音通信低能耗藍牙配置文件，然后討論所涉及設(shè)備的通信角色、音頻處理和壓縮選擇、數(shù)據(jù)分組問題和帶寬要求。我們提出兩個在音頻采集和功耗方面不同的系統(tǒng)配置，以滿足不同的應(yīng)用要求。本章最后一部分介紹在一個實際硬件設(shè)備上實現(xiàn)的BlueVoice應(yīng)用，然后比較并討論實際測量到的應(yīng)用性能，例如，功耗、存儲器占用、處理性能要求和自動語音識別(ASR)性能。

　　A. 服務(wù)定義

　　考慮到音頻流用例不屬于低能耗藍牙標準配置文件，為實現(xiàn)語音流服務(wù)，BlueVoice應(yīng)用在低能耗藍牙協(xié)議棧上，定義了一個叫做BlueVoice Service(BVS)的“廠商專用配置文件”，指定了服務(wù)器與客戶機之間交換語音數(shù)據(jù)的方式。此外，考慮到半雙工通信需要特別的設(shè)計選擇，本章稍后詳細討論這個問題。

　　如前文所述，屬性協(xié)議ATT是通用屬性配置文件GATT在不同設(shè)備之間交換數(shù)據(jù)的傳輸協(xié)議，屬性是ATT定義的最小的實體，是可尋址的信息段(內(nèi)置UUID標識碼)，可能含有用戶數(shù)據(jù)或關(guān)于屬性本身架構(gòu)的元信息，例如，權(quán)限、加密和授權(quán)屬性。GATT服務(wù)器屬性按特定順序組成一個服務(wù)序列，序列開始部分是服務(wù)聲明屬性，后面跟一個或多個特征和可能的描述符。每個特征都是一個被披露的屬性。除標準配置文件UUID外，在定制應(yīng)用中，開發(fā)人員可使用獨有的和廠商專用的UUID開發(fā)有自己特征的新服務(wù)，BlueVoice應(yīng)用就是這種情況。考慮到單向音頻流系統(tǒng)不對稱性，服務(wù)器通過BVS配置文件向客戶機披露數(shù)據(jù)類型和格式以及訪問方式。BVS服務(wù)包含下列屬性，如圖2所示。

　　服務(wù)聲明(Handle 0x0010)

　　– UUID: 標準16位UUID，用于主服務(wù)聲明(0x2800).

　　– 權(quán)限:讀

　　– 數(shù)值: 獨有128位BVS UUID.

　　特征聲明 (Handle 0x0011)

　　– UUID: 標準16位UUID，用于特征聲明 (0x2803).

　　– 權(quán)限: 讀

　　– 數(shù)值: 獨有128位音頻UUID, 僅用于通知, Handle: 0x012.

　　特征數(shù)據(jù) (Handle 0x0012)

　　– UUID: 獨有128位音頻UUID.

　　– 權(quán)限: 無

　　– 數(shù)值: 實際音頻數(shù)據(jù)

　　特征聲明 (Handle 0x0014)

　　– UUID: 標準16位UUID，用于特征聲明 (0x2803).

　　– 權(quán)限:讀

　　– 數(shù)值: 獨有128位同步UUID，僅用于通知，Handle: 0x0015.

　　特征數(shù)據(jù) (Handle 0x0015)

　　– UUID: 獨有128位同步UUID.

　　– 權(quán)限: 無

　　– 數(shù)值: 實際同步數(shù)據(jù)

　　根據(jù)該標準，主服務(wù)聲明是服務(wù)的第一個屬性，其數(shù)值域包含該聲明引入的UUID定義。BlueVoice應(yīng)用聲明使用一個128位獨有的UUID(BVS UUID)。BVS包含兩個特征，分別叫做音頻(Audio)和同步(Sync) 特征。在低能耗藍牙規(guī)范中，每個特征至少包含兩個屬性，分別是特征聲明和特征數(shù)值。特征聲明以元數(shù)據(jù)的形式定義其屬性，特征數(shù)值則是包含實際特征數(shù)據(jù)。在BlueVoice情況中，音頻和同步特征都包含一個單一的由獨有128位UUID定義 (AudioData和SyncData UUID) 的屬性，分別含有實際音頻數(shù)據(jù)和邊信息同步數(shù)值。音頻和同步特征聲明將AudioData和SyncData屬性定義為”僅通知”，未取得客戶機的讀寫權(quán)限，表示音頻數(shù)據(jù)和同步數(shù)據(jù)只以通知的形式傳輸，服務(wù)器不答復(fù)客戶機。為與低能耗藍牙服務(wù)的分層架構(gòu)一致，其它特征可能會增加到未來發(fā)布的BlueVoice應(yīng)用。

　　圖2. BlueVoice服務(wù)(BVS)定義

　　B. 應(yīng)用設(shè)計

　　本章主要介紹BlueVoice應(yīng)用設(shè)計的(i)低能耗藍牙通信(ii)音頻處理。

　　1) 低能耗藍牙通信

　　按照低能耗藍牙協(xié)議，通信可以是多點廣播，也可以是點對點連接。BlueVoice應(yīng)用鏈路層使用連接通信模式，在兩個設(shè)備之間建立永久性的點對點連接，這兩個設(shè)備扮演兩個不同的角色：中央設(shè)備和周邊設(shè)備。中央設(shè)備又稱主設(shè)備，支持與周邊設(shè)備(從設(shè)備)相關(guān)的復(fù)雜功能。中央設(shè)備是發(fā)起通信連接，執(zhí)行自適應(yīng)跳頻，數(shù)據(jù)加密，管理通信時序，定義設(shè)備間數(shù)據(jù)交換方式。該角色分配符合低能耗藍牙的非對稱設(shè)計概，為能效要求高的設(shè)備分配更少的工作任務(wù)。電池供電的便攜設(shè)備通常是從設(shè)備，不過，必須說明的是，根據(jù)規(guī)范[1],每個設(shè)備在每個連接事件發(fā)生時可單獨發(fā)送數(shù)據(jù)，且角色不在數(shù)據(jù)吞吐量上強加限制或優(yōu)先權(quán)?？紤]到半雙工通信情況，BlueVoice應(yīng)用可運行在自主的電池供電無線傳感設(shè)備上，且這些設(shè)備配備麥克風(和最終標量傳感器，如典型物聯(lián)網(wǎng)概念中無處不在的監(jiān)視應(yīng)用), 因此，角色分配不再與收發(fā)功能有關(guān)。

　　在鏈路層之上，GATT層定義互動設(shè)備的客戶機和服務(wù)器角色，與前文描述的主設(shè)備和從設(shè)備無關(guān)。服務(wù)器是提供信息的設(shè)備，而客戶機是請求或接收最新信息的設(shè)備?？紤]到單向音頻流是非對稱系統(tǒng)，裝備麥克風的設(shè)備是唯一有語音信息的設(shè)備，因此可將其視為通信服務(wù)器，另一個設(shè)備是客戶機，向服務(wù)器發(fā)送信息請求，并接收服務(wù)器發(fā)起的含有語音數(shù)據(jù)的更新信息。在雙向通信系統(tǒng)中，語音數(shù)據(jù)是雙向傳輸，架構(gòu)是對稱的，中央設(shè)備和周邊設(shè)備都配備麥克風，都可以充當服務(wù)器，輸出任何屬性格式的音頻數(shù)據(jù)。同時，服務(wù)器也能充當客戶機，發(fā)送信息請求，并接受另一個設(shè)備發(fā)送的更新信息。

　　雙向語音數(shù)據(jù)流是基于服務(wù)器以固定間隔向客戶機發(fā)送通知，不需要接收設(shè)備發(fā)送請求或回復(fù)信號。從設(shè)備在上電階段進入廣播模式，以低頻發(fā)送廣播數(shù)據(jù)包，主設(shè)備進入搜索模式，掃描是否有其它設(shè)備存在，反之亦然。收到廣播數(shù)據(jù)包代表主設(shè)備發(fā)現(xiàn)了相關(guān)從設(shè)備，然后，主設(shè)備發(fā)送一個連接請求。在連接建立過程結(jié)束后，按照所選的通信傳輸方向：中央設(shè)備至周邊設(shè)備或周圍設(shè)備-中央設(shè)備，以固定間隔從服務(wù)器向客戶機發(fā)送含有音頻數(shù)據(jù)的異步通知數(shù)據(jù)包。圖3所示是BlueVoice在GATT 層的角色分配。

　　圖3：BlueVoice配置文件角色分配

　　2)音頻處理

　　BlueVoice的音頻處理目的是在根據(jù)應(yīng)用所選的接收端上，取得8kHz 或16 kHz的目標音頻采樣。事實上，對于低功耗要求極其嚴格但是對音質(zhì)要求不高的應(yīng)用場景，例如，無需人耳聽清楚的自動語音識別服務(wù)輸入音頻，8kHz采樣率可能是一個不錯的選擇。

　　使用自適應(yīng)差分脈沖碼調(diào)制算法壓縮低能耗藍牙音頻傳輸信號，可使音頻信號適用于現(xiàn)有的數(shù)據(jù)傳輸速率，同時最大限度縮減射頻傳輸時間以及功耗。我們使用數(shù)字MEMS麥克風設(shè)計一個全數(shù)字解決方案，尺寸和音質(zhì)等特性使其適用于無線傳感器設(shè)備。圖4所示是16 kHz采樣率的完整語音處理鏈。該解決方案首先采集數(shù)字MEMS麥克風生成的1 MHz 的1位脈沖密度調(diào)制(PDM)信號，并將其轉(zhuǎn)換成16 kHz 的16位脈沖編碼調(diào)制(PCM)采樣，然后以16000個采樣/秒的采樣率，再將其壓縮成4位ADPCM采樣信號，并準備發(fā)送。

　　此外，以較低的頻率發(fā)送邊信息同步數(shù)據(jù)集合，所需帶寬是64 kbps音頻數(shù)據(jù)與300 bps同步信息數(shù)據(jù)之和，總計64.3 kbps。對于8kHz采樣率，最終ADPCM采樣率是8000個采樣/秒，導(dǎo)致31.3 kbps帶寬需求，包括邊信息。下面章節(jié)深入介紹上述模塊。

　　圖4：16kHz 配置的BlueVoice數(shù)據(jù)傳輸鏈

　　MEMS麥克風的容性傳感器生成的模擬信號經(jīng)放大和高速率采樣后，交由整合量化和噪聲修整操作的內(nèi)部sigma-delta調(diào)制器處理，輸出的數(shù)據(jù)是一個單一的高采樣率的PDM格式比特，PCM轉(zhuǎn)換是從PDM到無線通道發(fā)送壓縮音頻數(shù)據(jù)的整個處理鏈的中間環(huán)節(jié)。為了把PDM流轉(zhuǎn)換成PCM數(shù)據(jù)，需要使用一個抽取濾波器和兩個可單獨配置的濾波器(低通濾波器和高通濾波器。該處理模塊輸出16位PCM格式采樣流。按照所選采樣頻率，采用一個不同配置的抽取濾波器，以取得16位PCM數(shù)據(jù)采樣。

　　ADPCM編碼模塊壓縮PCM采樣，通過減少數(shù)據(jù)包傳輸量，節(jié)省傳輸帶寬，降低能耗，如前文所述，ADPCM 是一個用于損耗波形編碼的壓縮算法，其基本原理是根據(jù)上一個數(shù)值預(yù)測當前數(shù)值，只傳輸自適應(yīng)量化步驟量化的實際值與預(yù)測值的差值。存在諸多可選壓縮標準，卻單單選用ADPCM標準，這是因為它是基于波形編碼方法，與基于聲碼器的復(fù)雜解決方案相比，更適用于傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)備(通?；谖⒖刂破?。在BlueVoice應(yīng)用中，每個16位PCM采樣都壓縮成4位ADPCM數(shù)據(jù)，這樣所需的應(yīng)用傳輸帶寬是32 kbps或64 kbps，至于具體速率取決于采樣頻率，而且兼容低能耗藍牙流媒體功能。

　　如前文所述，BlueVoice應(yīng)用的總體帶寬實際需求高于32 kbps或64 kbps的理論值，這是因為BlueVoice為提高通信穩(wěn)健性，在通過通道發(fā)送數(shù)據(jù)時增加了附加信息。16 kHz 配置采用10 ms連接間隔，而8 kHz 配置采用25 ms連接間隔。事實上，如果被傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量較少，可提高連接間隔數(shù)值，從而節(jié)省能源。為盡可能地利用每個數(shù)據(jù)包現(xiàn)有有效載荷，語音數(shù)據(jù)包發(fā)送20個字節(jié)。

　　因此，在16 kHz配置中，語音數(shù)據(jù)每10 ms發(fā)送4個數(shù)據(jù)包，而在8 kHz配置中，語音數(shù)據(jù)每20 ms發(fā)送4個數(shù)據(jù)包，結(jié)果傳輸帶寬分別是64 kbps和32 kbps。發(fā)送器的邊信息發(fā)送頻率較低，每160 ms發(fā)送一個6字節(jié)的附加包，對應(yīng)16個或8個連接間隔。圖5描述了低能耗藍牙協(xié)議棧上的數(shù)據(jù)分組總體策略。通過音頻特征，每10ms或20 ms連接間隔，發(fā)送4個語音數(shù)據(jù)包(每包20字節(jié))，而發(fā)送器邊信息的發(fā)送是，通過同步特征，每160ms間隔發(fā)送一個附加數(shù)據(jù)包。

　　圖5：BlueVoice數(shù)據(jù)分組機制

　　C. 在實際硬件上實現(xiàn)應(yīng)用

　　為了在支持低能耗藍牙通信的不是十分復(fù)雜的實際硬件無線傳感器網(wǎng)絡(luò)平臺上評估BlueVoice的可行性，我們在實際硬件設(shè)備上實現(xiàn)了第三章B部分所描述的應(yīng)用軟件的全部功能。所選硬件平臺是意法半導(dǎo)體的STM32 Nucleo L476開發(fā)板[5]，這是一個基于STM32L476 80 MHz 32位ARM Cortex-M4微控制器的開放式開發(fā)平臺。我們選擇STM32 Nucleo開發(fā)板的原因是，板載微控制器的性能高于普通無線傳感器網(wǎng)絡(luò)平臺，同時還具備很高的靈活性和多功能性。該開發(fā)板配備很多接口和擴展排針，插接專用擴展板擴大板子功能簡單容易，方便設(shè)計人員研究、開發(fā)和驗證新創(chuàng)意。特別值得一提的是，STM32L4微控制器具有市場領(lǐng)先的低功耗特性，其內(nèi)置數(shù)字濾波器配合Sigma-Delta調(diào)制器(DFSDM)外設(shè)，可實現(xiàn)圖4的PDM至PCM的格式轉(zhuǎn)換，這些特性使其特別適合BlueVoice應(yīng)用。通過在STM32Nucleo開發(fā)板上接插一塊低能耗藍牙連接板和一塊麥克風擴展板，BlueVoice中央模塊和周邊模塊可以組成一個基于STM32Nucleo的對稱硬件配置，展示一個半雙工通信通道。低能耗藍牙連接板基于意法半導(dǎo)體的BlueNRG [6]，BlueNRG是一個超低功耗的低能耗藍牙單模網(wǎng)絡(luò)處理器，兼容藍牙規(guī)范4.0版，可設(shè)為主設(shè)備和從設(shè)備模式，當?shù)湍芎乃{牙協(xié)議棧啟動時，數(shù)據(jù)傳輸最大電流8.2 mA，可降至1.7 uA。附加的麥克風擴展板用于采集語音信號，基于意法半導(dǎo)體的MP34DT01 [7]數(shù)字萬向MEMS 麥克風，聲學(xué)過載點120 dBSPL, 信噪比63 dB，靈敏度-26 dBFS。MP34DT01采用一個容式傳感器和一個內(nèi)置sigma-delta調(diào)制器和噪聲修整機制的集成電路，提供1-3.25 MHz的PDM輸出。

　　圖6是實際硬件設(shè)備的框圖：STM32微控制器通過與外設(shè)模塊DMA相連的DFSDM模塊采集麥克風的PDM采樣輸出，同時通過一套專用應(yīng)用程序界面(API)和串行外設(shè)接口(SPI)與BlueNRG模塊通信，對于中央模塊和周邊模塊，模塊化架構(gòu)是對稱的?？驁D中還有一個USB音頻接口，用于向PC機提供重構(gòu)的音頻信號。圖7是硬件設(shè)備的實際原型。