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除了厘米級(jí)的定位精度，藍(lán)牙6.0還有哪些新東西？

作者：泰凌微電子
日期：2024-09-23 10:55:42
摘要：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(xiàng)新特性。這些新特性專(zhuān)注于提升藍(lán)牙設(shè)備之間的交互體驗(yàn)、定位的精確度、數(shù)據(jù)傳輸?shù)男室约澳芎墓芾淼取?/div>
關(guān)鍵詞：藍(lán)牙

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(xiàng)新特性。這些新特性專(zhuān)注于提升藍(lán)牙設(shè)備之間的交互體驗(yàn)、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(cè)（Channel Sounding）

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

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

  • ISOAL增強(qiáng)功能（Enhancements for ISOAL）

  • 監(jiān)測(cè)廣播設(shè)備（Monitoring Advertisers）

  • 幀間隔更新（Frame Space Update）


一

信道探測(cè)（Channel Sounding）


隨著物聯(lián)網(wǎng)，智能家居，汽車(chē)數(shù)字鑰匙等領(lǐng)域的快速發(fā)展，對(duì)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(hào)強(qiáng)度指示）和AoA/AoD（到達(dá)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(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟推出了藍(lán)牙信道探測(cè)技術(shù)（Channel Sounding）。


Channel Sounding包含了兩種不同的距離測(cè)量方法：


  • 相位測(cè)距（PBR）：利用無(wú)線(xiàn)電信號(hào)的相位特性，通過(guò)測(cè)量不同頻率信號(hào)的相位變化來(lái)估算距離。


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  • 往返時(shí)間（RTT）：通過(guò)測(cè)量信號(hào)在兩個(gè)設(shè)備間往返的時(shí)間來(lái)計(jì)算飛行時(shí)間（ToF），從而估算距離。


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Channel Sounding的優(yōu)勢(shì)：


  • 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(jí)，滿(mǎn)足更多高精度定位需求。

  • 抗干擾能力強(qiáng)：通過(guò)相位測(cè)量和RTT測(cè)量相結(jié)合的方式，提高了測(cè)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(chǎng)景：


  • 汽車(chē)數(shù)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(yàn)。

  • 智能家居：實(shí)現(xiàn)智能家居設(shè)備間的精確位置感知和自動(dòng)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(chēng)為特性（Feature）。對(duì)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(duì)方是否支持該Feature。藍(lán)牙核心規(guī)范6.0之前，這些Feature通過(guò)64 bits（8字節(jié)）的特征集（FeatureSet）來(lái)標(biāo)識(shí)，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(lán)牙核心規(guī)范6.0之前，只有bit 63還未分配。然而，隨著B(niǎo)LE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。


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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(lái)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：


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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(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(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(duì)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(xiàn)對(duì)廣播數(shù)據(jù)并沒(méi)有興趣。這就會(huì)出現(xiàn)一個(gè)問(wèn)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(huì)錯(cuò)過(guò)相關(guān)的數(shù)據(jù)包。這種情況：根據(jù)AuxPtr掃描并接收沒(méi)有興趣的數(shù)據(jù)包，被稱(chēng)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(lái)避免重復(fù)PDU的掃描接收，但是對(duì)于一些場(chǎng)景，這是不夠的。


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藍(lán)牙核心規(guī)范6.0使用了一種新類(lèi)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(guò)Primary Channel掃描到的ADV_DECISION_IND PDU內(nèi)容來(lái)決定是否在A(yíng)uxPtr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(duì)應(yīng)的Secondary Channel，以此來(lái)解決“干擾”問(wèn)題。

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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(shí)保證接收端能夠準(zhǔn)確無(wú)誤地重構(gòu)原始數(shù)據(jù)。整個(gè)過(guò)程如下圖所示：


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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(dāng)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(dǎo)致整個(gè)SDU的完整性受損，從而增加了數(shù)據(jù)傳輸失敗的風(fēng)險(xiǎn)。

  • 其次是延遲問(wèn)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(kāi)始處理，這在實(shí)時(shí)性要求較高的應(yīng)用場(chǎng)景（如音頻傳輸）中尤為不利，因?yàn)榈却龝r(shí)間直接轉(zhuǎn)化為音頻的延遲，影響用戶(hù)體驗(yàn)。


為了解決這些問(wèn)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(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(xiàn)了上層SDU與鏈路層PDU之間的一對(duì)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(xiǎn)，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(chǎng)景（如音頻）提供了有力的支持。


五

監(jiān)測(cè)廣播設(shè)備（Monitoring Advertisers）


藍(lán)牙規(guī)范一直有一個(gè)策略Filter_Duplicates：Observer Host可以指示BLE Controller過(guò)濾重復(fù)的廣播數(shù)據(jù)包，對(duì)于重復(fù)的廣播包只上報(bào)一次，以提升處理效率。


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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(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(guò)程能耗較高，尤其是對(duì)于不在通信范圍內(nèi)的設(shè)備掃描，更是無(wú)謂的能量消耗。


針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，藍(lán)牙核心規(guī)范6.0采用了Monitoring Advertisers機(jī)制。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是：每當(dāng)Observer Host所關(guān)注的設(shè)備進(jìn)入或離開(kāi)其RF有效覆蓋區(qū)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。


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Monitoring Advertisers機(jī)制不僅確保了Host能夠?qū)崟r(shí)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(gè)連續(xù)數(shù)據(jù)包之間的時(shí)間間隔，即前一個(gè)數(shù)據(jù)包最后一個(gè)bit結(jié)束 到 后一個(gè)數(shù)據(jù)包第一個(gè)bit開(kāi)始之間的時(shí)間。藍(lán)牙核心規(guī)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(shù)據(jù)包的最后一個(gè)bit結(jié)束 到 下一個(gè)Subevent中的第一個(gè)數(shù)據(jù)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(lán)牙核心規(guī)范6.0之前 ACL和CIS對(duì)應(yīng)的Frame Space如下圖所示:


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藍(lán)牙核心規(guī)范6.0對(duì)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(duì)Space Frame的更改，僅作用于A(yíng)CL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：


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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(duì)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(shí)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(shí)間的減少使得無(wú)線(xiàn)干擾碰撞風(fēng)險(xiǎn)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(hù)體驗(yàn)。

  • 相比之下，對(duì)于處理能力相對(duì)有限的芯片而言，延長(zhǎng)T_IFS則是一種比較好的方案。較長(zhǎng)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(shù)據(jù)包。


七

結(jié)語(yǔ)


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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