Bluetooth 5 新功能概述

文章目录

BLE 历史
Bluetooth 5 引入的新功能
- Twice the Speed, Four Times the Range
- Eight Times the Advertising Capacity
参考资料

BLE 历史

Bluetooth 5 引入的新功能

CSA 5 features (Higher Output Power)
Slot Availability Mask (SAM)
2 Msym/s PHY for LE
LE Long Range
High Duty Cycle Non-Connectable Advertising
LE Advertising Extensions
LE Channel Selection Algorithm #2

主要介绍其中最重要的变化：

2 Msym/s PHY for LE (2x the speed)
LE Long Range (4x the range)
LE Advertising Extensions (8x the Advertising capacity)

这里使用 Msym/s(Megasymbols per second)(每秒兆符号数）而不是 Mbps，因为它指的是实际的无线电传输能力。在某些情况下（例如 Coded PHY)，多个符号（multiple symbols）将用于表示单个位（bit），因此会降低 Mbps 速率。

Twice the Speed, Four Times the Range

BLE 协议栈的底层称为物理层，物理层的特定配置通常称为 PHY。

2M PHY
Bluetooth 5 之前的蓝牙规范允许单个 PHY，以 1 Msym/s 的速度运行。Bluetooth 5 引入了一种称为 LE 2M 的新的 PHY 层，它将任何之前的 PHY原始速率加倍，达到了 2 Msym/s，这意味着通过链路层发送的相同数据在 Bluetooth 5 中只需要之前一半的时间。这样的话，无线电在发送数据时运行的时间会更短，从而提供更低的功耗以及更长的使用寿命。

Coded PHY
Bluetooth 5 还引入了另一种称为 LE Coded 的可选的新的 PHY 层，该层的速率仍然是 1 Msym/s，但是使用了扩展因子为 2 或 8 的 FEC(Forward Error Correction) 分组编码，使速度分别降低到 500 kbps 或 125 kbps，另一方面，最大发射功率增加到 +20 dBm，以上两点使通信范围扩展了 4 倍，这同时适用于广播包和数据包。
就功耗而言，这些分组的持续时间大概是之前的 2 到 8 倍，最长的大约有 16 毫秒，所以使用该功能发送相同数量的数据，功耗将会相应地增加，电池寿命也会相应减少。

下表列出了与三个 LE PHY 相关的关键指标：

术语	定义
Symbol Rate	在物理层传输模拟符号的速率。
Protocol Data Rate	与蓝牙协议数据单元 (PDU) 相关的比特传输速率，包括其应用数据有效负载，但不包括在使用 LE Coded PHY 时包含在数据包中的 FEC 数据。
Approximate Max. Application Data Rate	在连接设备上的应用程序之间进行通信的应用数据的近似最大速率。应用数据在各种 PDU 的有效负载部分中传输，协议数据速率的其余部分由蓝牙协议数据消耗。

FEC 允许接收方从由噪声和干扰而导致的错误中恢复数据。它通过在传输的数据中引入冗余，使用一种特定的算法来实现这一目标。因此，当错误发生时，接收方可以通过利用数据中的冗余来恢复最初传输的数据，而不是要求重新传输数据。
Coded PHY 使用了两种编码方案：
S = 2，其中 2 个符号代表 1 个比特，因此支持 500 kbps 的比特率。
S = 8，其中 8 个符号代表 1 个比特，因此支持 125 kbps 的比特率。

Eight Times the Advertising Capacity

BLE 使用 40 个不同的频率信道（PHY 信道），相隔 2 MHz。这些通道中的 3 个（即 37，38，39 信道）称为主广播信道（Primary Advertisement channels），而其余 37 个信道用于次广播（Secondary Advertisements）以及数据信道。

广播可以分为两类：

Legacy Advertisements
在主广播信道上进行广播，与 BLE 4.0、4.1、4.2 的广播相同，并且也存在于 5.0 中）。它们包括以下类型的 PDU（协议数据单元）：
ADV_IND
ADV_DIRECT_IND
ADV_NONCONN_IND
ADV_SCAN_IND
Extended Advertisements
在主广播信道上开始传输然后在次信道上继续进行广播。这些可用于发送比传统广播所允许的更多的数据。它们还可用于启动定期广播（Periodic Advertisements）。扩展广播只能由支持此功能的设备发现。它们包括以下类型的 PDU（协议数据单元）：
ADV_EXT_IND
AUX_ADV_IND
AUX_SYNC_IND
AUX_CHAIN_IND

传统广播 ADV 携带的数据最大是 31 个字节，而扩展广播 ADV 携带的数据量最大为 255 字节，为传统广播的 8 倍左右。

广播信道 PDU 格式：

Larger Packets and Advertising Channel Offload
在执行扩展广播时只有 Header 数据在主信道上传输，Header 包括一个名为 AuxPtr 的字段。

AuxPtr 字段引用包含有效载荷的关联辅助数据包（associated auxiliary packet），该有效载荷将在编号为 0 - 36 的通用通道上传输。AuxPtr 包括
辅助数据包将要进行传输的通用信道号，以便接收者知道在哪里可以找到它。

以下扩展广播信道 PDU 使用相同的广播信道 PDU 负载格式，即 Common Extended Advertising Payload Format。
ADV_EXT_IND
AUX_ADV_IND
AUX_SCAN_RSP
AUX_SYNC_IND
AUX_CHAIN_IND
AUX_CONNECT_RSP

ADV_EXT_IND 发送在 Primary Advertising Physical Channel 上，目的是为了引出后续的 Secondary Advertising Physical Channel 数据包。绝大多数的扩展广播包，都是以 ADV_EXT_IND(Primary) + AUX_ADV_IND(Secondary) 的形式来组织的，扫描端想要知道这个扩展广播的含义，则必须要收到 ADV_EXT_IND 后，接着去收 AUX_ADV_IND，然后完成数据解析。

参考资料

bluetooth-5-go-faster-go-further
bluetooth-5-advertisements
Intro to Bluetooth Low Energy
Core Specification 5.0