莫失莫忘a2021-03-02 14:51:34藍芽BLE的最大特點就是低功耗，而低速率和簡單的互動協議是降低功耗的重要組成部分。因此BLE一般應用於低速率的近場控制和資料互動，如智慧家電、運動手環等等，小數量的控制和互動對傳輸速度沒有要求，每秒1K位元組就可以了，有時為了功耗可能會更低。但在某些場景下，可能要求BLE儘可能提高傳輸速率，如無線空中升級OTA、無線對講語音傳輸等等。接下來，我們來分析如何提高BLE的速率來滿足需求，並探討BLE連線的穩定性。
一、BLE資料包分析
BLE包的結構是：
preamble（1 Byte）+ AccessAddress（4 Bytes）+ PDU + CRC（3 Bytes）
1）preamble = 10101010 or 01010101
2）Access Address = 0x8e89bedd6
3）連線以後的資料傳輸的PDU是：Header（2 Bytes）+ Payload （27 Bytes max）+MIC（4bytes），所以傳輸一個包的 最大長度是1+4+33+3=41位元組，有效資料最大是27位元組。
二、自定義characteristic的最大長度
從上面分析可見，透過WRITE或者NOTIFY characteristic傳送一個包的最大長度是27位元組。但是這個27位元組指的是BLE底層的協議包格式。對於profile層的characteristic，其最大的長度是20位元組，也即是每個包最大的長度是20位元組。
這是因為profile所用的characteristic處於GATT協議層，而GATT到ATT層需要增加一個位元組的op code，兩個自己的attribute handle。然後ATT到L2CAP適配層需要增加4個位元組的L2CAP頭。所以從GATT到底層需要封裝7個位元組的額外協議資料，因此GATT層最大是20位元組。
其實，按照藍芽BLE的協議，L2CAP協議層自動對資料包進行拆包和封裝，理論上是支援ATT/GATT層更大的資料包的。但一般SDK預設ATT_MTU=23，這樣L2CAP的工作會變得很簡單，事實上，BLE的應用場景也不需要定義太長的資料包，20個位元組足夠了。
三、BLE的傳輸速率分析
根據藍芽BLE協議， 物理層physical layer的傳輸速率是1Mbps，相當於每秒125K位元組。事實上，其只是基準傳輸速率，協議規定BLE不能連續不斷地傳輸資料包，否則就不能稱為低功耗藍芽了。連續傳輸自然會帶來高功耗。所以，藍芽的最高傳輸速率並不由物理層的工作頻率決定的。
在實際的操作過程中，如果主機連線不斷地傳送資料包，要麼丟包嚴重要麼連接出現異常而斷開。
在BLE裡面，傳輸速度受其連線引數所影響。連線引數定義如下：
1）連線間隔。藍芽基帶是跳頻工作的，主機和從機會商定多長時間進行跳頻連線，連線上才能進行資料傳輸。這個連線和廣播狀態和連線狀態的連線不是一樣的意思。主機在從機廣播時進行連線是應用層的主動軟體行為。而跳頻過程中的連線是藍芽基帶協議的規定，完全由硬體控制，對應用層透明。明顯，如果這個連線間隔時間越短，那麼傳輸的速度就增大。連線上傳完資料後，藍芽基帶即進入休眠狀態，保證低功耗。其是1。25毫秒一個單位。
2）連線延遲。其是為了低功耗考慮，允許從機在跳頻過程中不理會主機的跳頻指令，繼續睡眠一段時間。而主機不能因為從機睡眠而認為其斷開連線了。其是1。25毫秒一個單位。明顯，這個數值越小，傳輸速度也高。
藍芽BLE協議規定連線引數最小是5，即7。25毫秒；而android手機規定連線引數最小是8，即10毫秒。Ios規定是16，即20毫秒。
連線引數完全由主機決定，但從機可以發出更新引數申請，主機可以接受也可以拒絕。Android手機一部接受，而ios比較嚴格，拒絕的機率比較高。
一般場景，連線引數設定16，即20毫秒，一般的傳輸速率是50* 20 = 1000位元組/每秒。如果每個連線事件傳輸更多的包，可以獲得更高的傳輸速率。
四、BLE高速傳輸的應用場景和技術實踐
降低連線間隔，提高每個連線事件的發包數能夠顯著地提高速率，但是兩者往往是矛盾的。因為一個連線事件的傳送時間總是有限的。從實踐來看，BLE的傳輸速率不僅跟連線引數有關，還跟CPU的處理能力有關［CC2541的51核要比DA14580的M0遜色不少］。此外還要對傳送和接收流程進行最佳化處理，這個非常重要。需要注意的是，高速率也會帶來穩定性問題，需要最佳化profile的資料互動場景和一些引數。
高速率傳輸會帶來更高的功耗，但是這個功耗應該是遠比經典藍芽的功耗低的。語音傳輸以往一般使用經典藍芽晶片，功耗一般在毫安級別。行動式電子產品對功耗要求很高，對於單純的語音對講場景來說，BLE是可以滿足需求的。語音使用8K取樣率，16位量化，一秒即是16K位元組/每秒。如果使用ADPCM編碼壓縮，可以壓縮四分之一，即4K位元組每秒。對於BLE來說，這個速度是完全可以達到的。如果是8bit量化，不壓縮也是8K位元組每秒。TI官方宣稱CC2541的最大的傳輸速率是5。9K位元組每秒。而DA14580則可以達到8K位元組/每秒的速率。嵌入式企鵝圈基於目前最低功耗藍芽單晶片DA14580已經demo透過，距離超過10米，穩定性也有保證。