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(yè)自動(dòng)化、物聯(lián)網(wǎng)(IoT)、可穿戴設備、人機接口設備(HID)眾多應用的無(wú)線(xiàn)連接協(xié)議時(shí)，藍牙一定是首選。為滿(mǎn)足各種應用的需求，藍牙技術(shù)聯(lián)盟(SIG)對藍牙規格進(jìn)行了持續改進(jìn)。發(fā)布4.1版大約一年后， SIG在2014年12月藍牙發(fā)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(cháng)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(shí)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(xié)議?？梢苑殖扇齻€(gè)部分：

控制器：協(xié)議棧控制器對數據包進(jìn)行了加密，轉換為無(wú)線(xiàn)信號發(fā)送。在接收時(shí)，控制器將對無(wú)線(xiàn)信號解碼，并重構數據包。

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

應用：可使主機和控制器實(shí)現一個(gè)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?chē)?。鏈路層在建立可靠物理鏈路和功能中扮演?zhù)非常重要的角色，有助于提高BLE協(xié)議穩健性和能效。鏈路層功能包括廣播、掃描、創(chuàng )建和維護連接以建立物理鏈路。在鏈路層上定義了兩個(gè)角色：主設備和從設備。

數據長(cháng)度擴展(DLE)

數據長(cháng)度擴展能夠使兩個(gè)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(lái)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(guān)察各數據包的開(kāi)銷(xiāo)，將發(fā)現存在1個(gè)字節的前導、4個(gè)字節的訪(fǎng)問(wèn)地址、2個(gè)字節的數據頭、3個(gè)字節的循環(huán)冗余檢查(CRC)和一個(gè)可選的4個(gè)字節的消息完整性檢查(MIC)。當使用加密時(shí)，消息完整性檢查(MIC)將與有效負載一起發(fā)送。因此，每個(gè)包含27個(gè)字節數據的加密鏈路層數據均含有14個(gè)字節的開(kāi)銷(xiāo)?，F在，讓我們來(lái)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(gè)字節。每個(gè)數據包開(kāi)銷(xiāo)仍然保持不變，即14個(gè)字節。然而，該開(kāi)銷(xiāo)現已與多達251個(gè)字節相關(guān)聯(lián)，而不是27個(gè)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(shí)間。

圖4所示為當數據需要通過(guò)藍牙4.1和藍牙4.2從一個(gè)設備傳輸至另一個(gè)設備時(shí)的吞吐量。

在上圖中，數據包時(shí)間的計算方法如下：

數據包時(shí)間= 8 *(前導字節的數量+訪(fǎng)問(wèn)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(shí)間為：

發(fā)送數據包時(shí)間= 8 *(1 + 4 + 2 + 3)/ 106 秒

=80微秒

含27個(gè)字節的有效負載的發(fā)送數據包時(shí)間為：

發(fā)送數據包時(shí)間= 8 *(1 + 4 + 2 + 27 + 4 + 3)/ 106秒

=328微秒

同樣，251個(gè)字節的有效負載的發(fā)送數據包時(shí)間為2120微秒。

另外，如上圖所示，隨著(zhù)各發(fā)送/接收數據包，存在兩個(gè)相關(guān)的幀間間隔(T_IFS)，一個(gè)為發(fā)送期間，一個(gè)為接收期間。如果某個(gè)事務(wù)的幀數量增加，則該事務(wù)的耗時(shí)也將成比例地增加。當數據長(cháng)度功能被啟用時(shí)，相較于藍牙4.1，藍牙4.2在一個(gè)幀內打包了更多數據，從而減少了每次事務(wù)處理的總時(shí)間，并增加了吞吐量(其中，吞吐量 =有效負載尺寸/總時(shí)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(gè)字節(216比特)以及該交易的總時(shí)間為708微秒，意味著(zhù)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(gè)字節(2008比特)以及總時(shí)間為2500微秒，意味著(zhù)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(xié)商數據長(cháng)度，還允許不對稱(chēng)的發(fā)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(fā)送數據長(cháng)度對于實(shí)現最大吞吐量具有十分重要的意義。

讓我們考慮這樣一個(gè)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(xié)商數據長(cháng)度(從設備)：

情景1 – 發(fā)送 - 251個(gè)字節，接收 - 251字節

情景2 – 發(fā)送 - 251個(gè)字節，接收 - 27字節

在情景1中，如圖5所示，在第一次接收/發(fā)送數據包時(shí)，接收有效負載尺寸為0字節以及發(fā)送有效負載尺寸為251個(gè)字節，耗時(shí)2.5毫秒(包括幀間間隔)。第二次接收/發(fā)送數據包也是一樣的。這兩個(gè)接收/發(fā)送數據包共耗時(shí)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(gè)接收/發(fā)送數據包。但是，主設備的調度器不會(huì )在此連接間隔內安排另一個(gè)接收/發(fā)送數據包。這是因為調度器會(huì )基于協(xié)商的數據長(cháng)度(本案例中發(fā)送/接收的數據長(cháng)度均為251)來(lái)檢查發(fā)送/接收數據包是否具有足夠的時(shí)間。如圖所示，含有接收和發(fā)送有效負載量為251字節的接收和發(fā)送數據包需要4.54毫秒。然而，前兩個(gè)數據包之后的可用時(shí)間為3.85毫秒，這導致在本連接間隔內僅2個(gè)發(fā)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(gè)數據包，因此在8.75毫秒的連接間隔內可以容納第三個(gè)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(huì )影響吞吐量，但還存在對其產(chǎn)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(cháng)度的擴展可通過(guò)任何連接設備的控制器來(lái)觸發(fā)。如果兩個(gè)設備都支持數據長(cháng)度的擴展功能，則該設備可發(fā)送一個(gè)獲取更新數據長(cháng)度的請求，而其他設備將通過(guò)其自己的參數來(lái)做出響應。圖7所示為協(xié)商進(jìn)程。

上一頁(yè) 1 2 下一頁(yè)