除了厘米級的定位精度，藍牙6.0還有哪些新東西？

本文來(lái)源：泰凌微電子

藍牙技術(shù)聯(lián)盟（Bluetooth SIG）最近推出了藍牙核心規范6.0版本，相較于之前的版本，這一最新規范引入了多項新特性。這些新特性專(zhuān)注于提升藍牙設備之間的交互體驗、定位的精確度、數據傳輸的效率以及能耗管理等。新增特性如下：

• 信道探測（Channel Sounding）

• 鏈路層功能集擴展（LL Extended Feature Set）

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

• ISOAL增強功能（Enhancements for ISOAL）

• 監測廣播設備（Monitoring Advertisers）

• 幀間隔更新（Frame Space Update）

一

信道探測（Channel Sounding）

隨著(zhù)物聯(lián)網(wǎng)，智能家居，汽車(chē)數字鑰匙等領(lǐng)域的快速發(fā)展，對藍牙設備間的高精度定位需求日益增加。傳統的藍牙RSSI（接收信號強度指示）和AoA/AoD（到達角/離開(kāi)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(wèn)題。鑒于以上需求及現有技術(shù)的缺點(diǎn)，藍牙技術(shù)聯(lián)盟推出了藍牙信道探測技術(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(wú)線(xiàn)電信號的相位特性，通過(guò)測量不同頻率信號的相位變化來(lái)估算距離。

• 往返時(shí)間（RTT）：通過(guò)測量信號在兩個(gè)設備間往返的時(shí)間來(lái)計算飛行時(shí)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)的定位精度可達到厘米級，滿(mǎn)足更多高精度定位需求。

• 抗干擾能力強：通過(guò)相位測量和RTT測量相結合的方式，提高了測距的抗干擾能力。

• 安全性高：集成了多種安全機制，有效防止距離欺騙等攻擊。

Channel Sounding應用場(chǎng)景：

• 汽車(chē)數字鑰匙：提供更安全、便捷的汽車(chē)無(wú)鑰匙進(jìn)入和啟動(dòng)體驗。

• 智能家居：實(shí)現智能家居設備間的精確位置感知和自動(dòng)化控制。

• 物聯(lián)網(wǎng)設備：提升物聯(lián)網(wǎng)設備的定位精度和安全性。

二

鏈路層功能集擴展

（LL Extended Feature Set）

藍牙低功耗（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(chēng)為特性（Feature）。對一個(gè)特性的支持通常是可選的，在使用一個(gè)Feature之前，需要知道對方是否支持該Feature。藍牙核心規范6.0之前，這些Feature通過(guò)64 bits（8字節）的特征集（FeatureSet）來(lái)標識，且可以通過(guò)Feature交互流程(LL_FEATURE_REQ/LL_PERIPHERAL_FEATURE_REQ/LL_FEATURE_RSP)來(lái)交互雙方支持的Feature。

如下圖所示，在藍牙核心規范6.0之前，只有bit 63還未分配。然而，隨著(zhù)BLE技術(shù)的不斷發(fā)展和功能多樣化，64 bits已經(jīng)不能滿(mǎn)足需求。

藍牙核心規范6.0將特征集（FeatureSet）的大小擴展至1984 bits，以支持未來(lái)藍牙技術(shù)的發(fā)展。核心規范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(shí)候，如果發(fā)現bit 63 (LL Extended Feature Set)為1，那就使用LL_FEATURE_EXT_REQ/LL_FEATURE_EXT_RSP繼續交互其他支持的Feature。

三

基于決策的廣播過(guò)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PDU不包含應用層數據。在某些情況下，掃描設備必須根據AuxPtr，在Secondary Channel上接收關(guān)聯(lián)的AUX_ADV_IND PDU，并檢查AdvData有效載荷字段的內容，然后才能確定對廣播的數據是否有興趣。為此，它必須停止在Primary Channel上的掃描，并切換到在A(yíng)uxPtr字段中指示的Secondary Channel上進(jìn)行掃描?？赡芎芏鄷r(shí)候會(huì )發(fā)現對廣播數據并沒(méi)有興趣。這就會(huì )出現一個(gè)問(wèn)題，掃描設備根據AuxPtr在Secondary Channel上掃描期間，它不再在Primary Channel上掃描，因此可能會(huì )錯過(guò)相關(guān)的數據包。這種情況：根據AuxPtr掃描并接收沒(méi)有興趣的數據包，被稱(chēng)為“干擾”，干擾降低了掃描設備的工作效率。雖然可以使用ADI字段來(lái)避免重復PDU的掃描接收，但是對于一些場(chǎng)景，這是不夠的。

藍牙核心規范6.0使用了一種新類(lèi)型的擴展廣播ADV_DECISION_IND。Decision-Based Advertising Filtering就是：允許掃描設備通過(guò)Primary Channel掃描到的ADV_DECISION_IND PDU內容來(lái)決定是否在A(yíng)uxPtr指定的Secondary Channel上掃描相關(guān)數據包。如果Primary Channel掃描到的ADV_DECISION_IND PDU不是掃描設備需要的，那么就不需要再去掃描對應的Secondary Channel，以此來(lái)解決“干擾”問(wèn)題。

四

ISOAL增強功能

（Enhancements for ISOAL）

傳統上，ISOAL的作用是將較大的服務(wù)數據單元（SDU）能夠分割為較小的鏈路層協(xié)議數據單元（PDU）進(jìn)行傳輸，同時(shí)保證接收端能夠準確無(wú)誤地重構原始數據。整個(gè)過(guò)程如下圖所示：

然而，Segmentation/Reassembly這一過(guò)程中存在兩個(gè)問(wèn)題：

• 首先是可靠性問(wèn)題。在無(wú)線(xiàn)通信環(huán)境中，都有一定的丟包概率。當SDU被分割成多個(gè)PDU進(jìn)行傳輸時(shí)，任何一個(gè)PDU的丟失都可能導致整個(gè)SDU的完整性受損，從而增加了數據傳輸失敗的風(fēng)險。

• 其次是延遲問(wèn)題。分段傳輸機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后才能開(kāi)始處理，這在實(shí)時(shí)性要求較高的應用場(chǎng)景（如音頻傳輸）中尤為不利，因為等待時(shí)間直接轉化為音頻的延遲，影響用戶(hù)體驗。

為了解決這些問(wèn)題，藍牙核心規范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(gè)來(lái)自上層的SDU都被直接封裝進(jìn)一個(gè)PDU中進(jìn)行傳輸，實(shí)現了上層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據傳輸場(chǎng)景（如音頻）提供了有力的支持。

五

監測廣播設備（Monitoring Advertisers）

藍牙規范一直有一個(gè)策略Filter_Duplicates：Observer Host可以指示BLE Controller過(guò)濾重復的廣播數據包，對于重復的廣播包只上報一次，以提升處理效率。

但Filter_Duplicates也帶來(lái)了一個(gè)問(wèn)題：在Observer Host嘗試連接Advertiser時(shí)，無(wú)法確認目標設備是否仍處于射頻（RF）有效范圍內，Observer Host執行掃描操作，這一過(guò)程能耗較高，尤其是對于不在通信范圍內的設備掃描，更是無(wú)謂的能量消耗。

針對這個(gè)問(wèn)題，藍牙核心規范6.0采用了Monitoring Advertisers機制。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是：每當Observer Host所關(guān)注的設備進(jìn)入或離開(kāi)其RF有效覆蓋區域時(shí)，BLE Controller能夠即時(shí)通過(guò)HCI事件LE Monitored Advertisers Report event向Host發(fā)送通知。

Monitoring Advertisers機制不僅確保了Host能夠實(shí)時(shí)掌握設備的存在狀態(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(gè)連續數據包之間的時(shí)間間隔，即前一個(gè)數據包最后一個(gè)bit結束 到 后一個(gè)數據包第一個(gè)bit開(kāi)始之間的時(shí)間。藍牙核心規范6.0之前版本，這段時(shí)間為150us的固定值，我們稱(chēng)之為T(mén)_IFS。

T_MSS（Minimum Subevent Space）表示：一個(gè)Subevent中的最后一個(gè)數據包的最后一個(gè)bit結束 到 下一個(gè)Subevent中的第一個(gè)數據包的第一個(gè)bit開(kāi)始之間的最小間隔時(shí)間稱(chēng)為Minimum Subevent Space。Minimum Subevent Space稱(chēng)之為“T_MSS”，值為150us。

藍牙核心規范6.0之前 ACL和CIS對應的Frame Space如下圖所示:

藍牙核心規范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：藍牙核心規范6.0對Space Frame的更改，僅作用于A(yíng)CL和CIS的T_IFS/T_MSS。

藍牙核心規范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）加速了數據傳輸，從而提升了連接設備間的整體吞吐效率，這對于追求極致響應速度的高性能應用，如游戲手柄等，具有明顯的優(yōu)化效果，確保了更快的反應時(shí)間、更加流暢的操作。

• 在LE Audio應用中，縮短T_IFS的作用尤為突出。它不僅加快了音頻數據包的傳輸速度，有效降低了音頻延遲，并且數據傳輸時(shí)間的減少使得無(wú)線(xiàn)干擾碰撞風(fēng)險降低，進(jìn)一步保障了音頻的穩定性。此外，帶寬的增加可以執行更多次的有效重傳，從而顯著(zhù)增強了音頻的傳輸質(zhì)量和用戶(hù)體驗。

• 相比之下，對于處理能力相對有限的芯片而言，延長(cháng)T_IFS則是一種比較好的方案。較長(cháng)的T_IFS為這些芯片提供了更為充裕的時(shí)間來(lái)處理接收到的數據包。

七

結語(yǔ)

隨著(zhù)藍牙核心規范6.0的發(fā)布，諸多創(chuàng )新特性與功能增強將進(jìn)一步拓展藍牙技術(shù)的應用邊界。

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