除了厘米級的定位精度，藍(lán)牙6.0還有哪些新東西？

本文來源：泰凌微電子

藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟（Bluetooth SIG）最近推出了藍(lán)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(lán)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?。新增特性如下?/p>

• 信道探測（Channel Sounding）

• 鏈路層功能集擴(kuò)展（LL Extended Feature Set）

• 基于決策的廣播過濾（Decision-Based Advertising Filtering）

• ISOAL增強(qiáng)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（Channel Sounding）

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(lán)牙設(shè)備間的高精度定位需求日益增加。傳統(tǒng)的藍(lán)牙RSSI（接收信號強(qiáng)度指示）和AoA/AoD（到達(dá)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(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟推出了藍(lán)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(dá)到厘米級，滿足更多高精度定位需求。

• 抗干擾能力強(qiáng)：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(jī)制，有效防止距離欺騙等攻擊。

Channel Sounding應(yīng)用場景：

• 汽車數(shù)字鑰匙：提供更安全、便捷的汽車無鑰匙進(jìn)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(kuò)展

（LL Extended Feature Set）

藍(lán)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(lán)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(biāo)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(lán)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(lán)牙核心規(guī)范6.0將特征集（FeatureSet）的大小擴(kuò)展至1984 bits，以支持未來藍(lán)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-Based Advertising Filtering）

我們知道 Extended Advertising首先在Primary Channel(37/38/39)上傳輸ADV_EXT_IND PDU，該P(yáng)DU不包含應(yīng)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(jìn)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(fù)PDU的掃描接收，但是對于一些場景，這是不夠的。

藍(lán)牙核心規(guī)范6.0使用了一種新類型的擴(kuò)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(yīng)的Secondary Channel，以此來解決“干擾”問題。

四

ISOAL增強(qiáng)功能

（Enhancements for ISOAL）

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(jìn)行傳輸，同時保證接收端能夠準(zhǔn)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(dāng)SDU被分割成多個PDU進(jìn)行傳輸時，任何一個PDU的丟失都可能導(dǎo)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(fēng)險。

• 其次是延遲問題。分段傳輸機(jī)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(dá)后才能開始處理，這在實時性要求較高的應(yīng)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(lán)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(jìn)一個PDU中進(jìn)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(fēng)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（Monitoring Advertisers）

藍(lán)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(fù)的廣播數(shù)據(jù)包，對于重復(fù)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(rèn)目標(biāo)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(lán)牙核心規(guī)范6.0采用了Monitoring Advertisers機(jī)制。簡單來說就是：每當(dāng)Observer Host所關(guān)注的設(shè)備進(jìn)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(jī)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（Frame Space Update）

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(lán)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(lán)牙核心規(guī)范6.0之前 ACL和CIS對應(yīng)的Frame Space如下圖所示:

藍(lán)牙核心規(guī)范6.0對Frame Space進(jìn)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(rèn)值仍為150μs。建立連接后，可由Central和Peripheral進(jìn)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(lán)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(lán)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(yīng)速度的高性能應(yīng)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(yīng)時間、更加流暢的操作。

• 在LE Audio應(yīng)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(fēng)險降低，進(jìn)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(qiáng)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(lán)牙核心規(guī)范6.0的發(fā)布，諸多創(chuàng)新特性與功能增強(qiáng)將進(jìn)一步拓展藍(lán)牙技術(shù)的應(yīng)用邊界。

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