作者：Sachin Gupta & Rohit Kumar, Cypress Semiconductor 提到家庭和工業自動化、物聯網（IoT）、可穿戴設備、人機接口設備（HID）眾多應用的無線連接協議時，藍牙一定是首選。為滿足各種應用的需求，藍牙技術聯盟（SIG）對藍牙規格進行了持續改進。發布4.1版大約一年后， SIG在2014年12月藍牙發布了藍牙規范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）協議棧可以分成三個部分： 控制器：協議棧控制器對數據包進行了加密，轉換為無線信號發送。在接收時，控制器將對無線信號解碼，并重構數據包。 主機：主機由管理兩個或多個設備相互通信的各種協議和配置文件（安全管理器、屬性協議等）組成。 應用：可使主機和控制器實現一個特定功能的用例。 鏈路層（LL） 藍牙4.2的大部分新功能都集中在鏈路層周圍。鏈路層在建立可靠物理鏈路和功能中扮演著非常重要的角色，有助于提高BLE協議穩健性和能效。鏈路層功能包括廣播、掃描、創建和維護連接以建立物理鏈路。在鏈路層上定義了兩個角色：主設備和從設備。 數據長度擴展（DLE） 數據長度擴展能夠使兩個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。 如果我們仔細觀察各數據包的開銷，將發現存在1個字節的前導、4個字節的訪問地址、2個字節的數據頭、3個字節的循環冗余檢查（CRC）和一個可選的4個字節的消息完整性檢查（MIC）。當使用加密時，消息完整性檢查（MIC）將與有效負載一起發送。因此，每個包含27個字節數據的加密鏈路層數據均含有14個字節的開銷。現在，讓我們來看看藍牙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個字節。每個數據包開銷仍然保持不變，即14個字節。然而，該開銷現已與多達251個字節相關聯，而不是27個字節。這種最小有效負載的變化提高了吞吐量并減少了處理時間。 圖4所示為當數據需要通過藍牙4.1和藍牙4.2從一個設備傳輸至另一個設備時的吞吐量。 在上圖中，數據包時間的計算方法如下： 數據包時間= 8 *（前導字節的數量 訪問地址字節的數量 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，接收數據包時間為： 發送數據包時間= 8 *（1 4 2 3）/ 106 秒 =80微秒 含27個字節的有效負載的發送數據包時間為： 發送數據包時間= 8 *（1 4 2 27 4 3）/ 106秒 =328微秒 同樣，251個字節的有效負載的發送數據包時間為2120微秒。 另外，如上圖所示，隨著各發送/接收數據包，存在兩個相關的幀間間隔（T_IFS），一個為發送期間，一個為接收期間。如果某個事務的幀數量增加，則該事務的耗時也將成比例地增加。當數據長度功能被啟用時，相較于藍牙4.1，藍牙4.2在一個幀內打包了更多數據，從而減少了每次事務處理的總時間，并增加了吞吐量（其中，吞吐量 =有效負載尺寸/總時間）。 如上圖所示，對于藍牙4.1鏈路層，最大有效負載尺寸為27個字節（216比特）以及該交易的總時間為708微秒，意味著約 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個字節（2008比特）以及總時間為2500微秒，意味著約 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商數據長度，還允許不對稱的發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/發送數據長度對于實現最大吞吐量具有十分重要的意義。 讓我們考慮這樣一個應用：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商數據長度（從設備）： 情景1 – 發送 - 251個字節，接收 - 251字節 情景2 – 發送 - 251個字節，接收 - 27字節 在情景1中，如圖5所示，在第一次接收/發送數據包時，接收有效負載尺寸為0字節以及發送有效負載尺寸為251個字節，耗時2.5毫秒（包括幀間間隔）。第二次接收/發送數據包也是一樣的。這兩個接收/發送數據包共耗時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接收/發送數據包。但是，主設備的調度器不會在此連接間隔內安排另一個接收/發送數據包。這是因為調度器會基于協商的數據長度（本案例中發送/接收的數據長度均為251）來檢查發送/接收數據包是否具有足夠的時間。如圖所示，含有接收和發送有效負載量為251字節的接收和發送數據包需要4.54毫秒。然而，前兩個數據包之后的可用時間為3.85毫秒，這導致在本連接間隔內僅2個發送數據包。 在情景2中，在該連接間隔內，調度器僅需要2.64毫秒就可調度一個數據包，因此在8.75毫秒的連接間隔內可以容納第三個數據包，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尺寸的選擇會影響吞吐量，但還存在對其產生影響的其他因素，比如，連接間隔和最大傳輸單元（MTU）。 數據長度的擴展可通過任何連接設備的控制器來觸發。如果兩個設備都支持數據長度的擴展功能，則該設備可發送一個獲取更新數據長度的請求，而其他設備將通過其自己的參數來做出響應。圖7所示為協商進程。 如果一臺不支持數據長度擴展功能的設備接收到數據長度的更新請求時，將會返回一個未知的回復。該回復將通知發起請求的設備另一臺設備不支持DLE，該設備將繼續傳輸符合藍牙4.1 PDU尺寸的數據。也就是說，數據長度擴展支持向下兼容。 數據長度擴展在提高吞吐量的同時，也通過減少射頻活動時間從而有助于降低功耗。這是因為在藍牙4.2中，如果數據尺寸大于27字節，所需的接收/發送數據包更少、射頻活動的時間更短）。比如說，需要傳輸 135個字節，BLE4.1設備在連接時需要5個發送/接收數據包來傳輸數據；然而BLE4.2設備在傳輸相同數量的數據時只需一個發送/接收數據包。在無線應用中，射頻通信消耗了大多數的系統電力。使用DLE，射頻通信活動時間減少，可以顯著延長電池壽命。 (mbbeetchina)