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除了厘米级的定位精度,蓝牙6.0还有哪些新东西?

发布人:物联传媒 时间:2024-09-22 来源:工程师 发布文章

本文来源:泰凌微电子

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蓝牙技术联盟(Bluetooth SIG)最近推出了蓝牙核心规范6.0版本,相较于之前的版本,这一最新规范引入了多项新特性。这些新特性专注于提升蓝牙设备之间的交互体验、定位的精确度、数据传输的效率以及能耗管理等。新增特性如下:


  • 信道探测(Channel Sounding)

  • 链路层功能集扩展(LL Extended Feature Set)

  • 基于决策的广播过滤(Decision-Based Advertising Filtering)

  • ISOAL增强功能(Enhancements for ISOAL)

  • 监测广播设备(Monitoring Advertisers)

  • 帧间隔更新(Frame Space Update)


信道探测(Channel Sounding)


随着物联网,智能家居,汽车数字钥匙等领域的快速发展,对蓝牙设备间的高精度定位需求日益增加。传统的蓝牙RSSI(接收信号强度指示)和AoA/AoD(到达角/离开角)定位技术只能提供粗略的距离信息,易受环境干扰和安全性不高等问题。鉴于以上需求及现有技术的缺点,蓝牙技术联盟推出了蓝牙信道探测技术(Channel Sounding)。


Channel Sounding包含了两种不同的距离测量方法:


  • 相位测距(PBR):利用无线电信号的相位特性,通过测量不同频率信号的相位变化来估算距离。


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  • 往返时间(RTT):通过测量信号在两个设备间往返的时间来计算飞行时间(ToF),从而估算距离。


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Channel Sounding的优势:


  • 高精度:相较于RSSI技术,Channel Sounding技术的定位精度可达到厘米级,满足更多高精度定位需求。

  • 抗干扰能力强:通过相位测量和RTT测量相结合的方式,提高了测距的抗干扰能力。

  • 安全性高:集成了多种安全机制,有效防止距离欺骗等攻击。


Channel Sounding应用场景:


  • 汽车数字钥匙:提供更安全、便捷的汽车无钥匙进入和启动体验。

  • 智能家居:实现智能家居设备间的精确位置感知和自动化控制。

  • 物联网设备:提升物联网设备的定位精度和安全性。


链路层功能集扩展

(LL Extended Feature Set)


蓝牙低功耗(BLE)链路层(Link Layer)是BLE协议栈的重要组成部分,定义了许多功能,也被称为特性(Feature)。对一个特性的支持通常是可选的,在使用一个Feature之前,需要知道对方是否支持该Feature。蓝牙核心规范6.0之前,这些Feature通过64 bits(8字节)的特征集(FeatureSet)来标识,且可以通过Feature交互流程(LL_FEATURE_REQ/LL_PERIPHERAL_FEATURE_REQ/LL_FEATURE_RSP)来交互双方支持的Feature。


如下图所示,在蓝牙核心规范6.0之前,只有bit 63还未分配。然而,随着BLE技术的不断发展和功能多样化,64 bits已经不能满足需求。


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蓝牙核心规范6.0将特征集(FeatureSet)的大小扩展至1984 bits,以支持未来蓝牙技术的发展。核心规范6.0将bit 63定义为 LL Extended Feature Set,如下图所示:


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Central和Peripheral使用LL_FEATURE_REQ/LL_PERIPHERAL_FEATURE_REQ/LL_FEATURE_RSP交互双方支持Feature的时候,如果发现bit 63 (LL Extended Feature Set)为1,那就使用LL_FEATURE_EXT_REQ/LL_FEATURE_EXT_RSP继续交互其他支持的Feature。


基于决策的广播过滤

(Decision-Based Advertising Filtering)


我们知道 Extended Advertising首先在Primary Channel(37/38/39)上传输ADV_EXT_IND PDU,该PDU不包含应用层数据。在某些情况下,扫描设备必须根据AuxPtr,在Secondary Channel上接收关联的AUX_ADV_IND PDU,并检查AdvData有效载荷字段的内容,然后才能确定对广播的数据是否有兴趣。为此,它必须停止在Primary Channel上的扫描,并切换到在AuxPtr字段中指示的Secondary Channel上进行扫描。可能很多时候会发现对广播数据并没有兴趣。这就会出现一个问题,扫描设备根据AuxPtr在Secondary Channel上扫描期间,它不再在Primary Channel上扫描,因此可能会错过相关的数据包。这种情况:根据AuxPtr扫描并接收没有兴趣的数据包,被称为“干扰”,干扰降低了扫描设备的工作效率。虽然可以使用ADI字段来避免重复PDU的扫描接收,但是对于一些场景,这是不够的。


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蓝牙核心规范6.0使用了一种新类型的扩展广播ADV_DECISION_IND。Decision-Based Advertising Filtering就是:允许扫描设备通过Primary Channel扫描到的ADV_DECISION_IND PDU内容来决定是否在AuxPtr指定的Secondary Channel上扫描相关数据包。如果Primary Channel扫描到的ADV_DECISION_IND PDU不是扫描设备需要的,那么就不需要再去扫描对应的Secondary Channel,以此来解决“干扰”问题。

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ISOAL增强功能

(Enhancements for ISOAL)


传统上,ISOAL的作用是将较大的服务数据单元(SDU)能够分割为较小的链路层协议数据单元(PDU)进行传输,同时保证接收端能够准确无误地重构原始数据。整个过程如下图所示:


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然而,Segmentation/Reassembly这一过程中存在两个问题:


  • 首先是可靠性问题。在无线通信环境中,都有一定的丢包概率。当SDU被分割成多个PDU进行传输时,任何一个PDU的丢失都可能导致整个SDU的完整性受损,从而增加了数据传输失败的风险。

  • 其次是延迟问题。分段传输机制要求接收端的上层协议必须等待SDU的所有分段全部到达后才能开始处理,这在实时性要求较高的应用场景(如音频传输)中尤为不利,因为等待时间直接转化为音频的延迟,影响用户体验。


为了解决这些问题,蓝牙核心规范6.0引入了ISOAL Unsegmented模式,这种模式不使用分段传输方式。在Unsegmented模式下,每个来自上层的SDU都被直接封装进一个PDU中进行传输,实现了上层SDU与链路层PDU之间的一对一映射。这种方式不仅降低了SDU因分段而整体丢失的风险,还消除了因等待分段重组而产生的延迟,为需要高可靠性和低延迟的数据传输场景(如音频)提供了有力的支持。


监测广播设备(Monitoring Advertisers)


蓝牙规范一直有一个策略Filter_Duplicates:Observer Host可以指示BLE Controller过滤重复的广播数据包,对于重复的广播包只上报一次,以提升处理效率。


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但Filter_Duplicates也带来了一个问题:在Observer Host尝试连接Advertiser时,无法确认目标设备是否仍处于射频(RF)有效范围内,Observer Host执行扫描操作,这一过程能耗较高,尤其是对于不在通信范围内的设备扫描,更是无谓的能量消耗。


针对这个问题,蓝牙核心规范6.0采用了Monitoring Advertisers机制。简单来说就是:每当Observer Host所关注的设备进入或离开其RF有效覆盖区域时,BLE Controller能够即时通过HCI事件LE Monitored Advertisers Report event向Host发送通知。


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Monitoring Advertisers机制不仅确保了Host能够实时掌握设备的存在状态,还极大地减少了不必要的扫描操作,从而降低Observer设备的功耗。


帧间隔更新(Frame Space Update)


IFS(Inter Frame Space)是在同一Channel上发送的两个连续数据包之间的时间间隔,即前一个数据包最后一个bit结束 到 后一个数据包第一个bit开始之间的时间。蓝牙核心规范6.0之前版本,这段时间为150us的固定值,我们称之为T_IFS。


T_MSS(Minimum Subevent Space)表示:一个Subevent中的最后一个数据包的最后一个bit结束 到 下一个Subevent中的第一个数据包的第一个bit开始之间的最小间隔时间称为Minimum Subevent Space。Minimum Subevent Space称之为“T_MSS”,值为150us。


蓝牙核心规范6.0之前 ACL和CIS对应的Frame Space如下图所示:


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蓝牙核心规范6.0对Frame Space进行了以下更改:


  • ACL和CIS的T_IFS/T_MSS不再固定为150µs。

  • T_IFS/T_MSS默认值仍为150µs。建立连接后,可由Central和Peripheral进行协商。

  • 协商的T_IFS/T_MSS范围为0~10000us,允许的误差仍然是±2us。

  • 不同的LE PHY(1M、2M和coded)可以使用不同的T_IFS/T_MSS。


注:蓝牙核心规范6.0对Space Frame的更改,仅作用于ACL和CIS的T_IFS/T_MSS。


蓝牙核心规范6.0更新后的ACL和CIS Frame Space如下图所示:


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Frame Space Update意义


  • 缩短T_IFS(帧间间隔)加速了数据传输,从而提升了连接设备间的整体吞吐效率,这对于追求极致响应速度的高性能应用,如游戏手柄等,具有明显的优化效果,确保了更快的反应时间、更加流畅的操作。

  • 在LE Audio应用中,缩短T_IFS的作用尤为突出。它不仅加快了音频数据包的传输速度,有效降低了音频延迟,并且数据传输时间的减少使得无线干扰碰撞风险降低,进一步保障了音频的稳定性。此外,带宽的增加可以执行更多次的有效重传,从而显著增强了音频的传输质量和用户体验。

  • 相比之下,对于处理能力相对有限的芯片而言,延长T_IFS则是一种比较好的方案。较长的T_IFS为这些芯片提供了更为充裕的时间来处理接收到的数据包。


结语


随着蓝牙核心规范6.0的发布,诸多创新特性与功能增强将进一步拓展蓝牙技术的应用边界。

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关键词: 蓝牙6.0

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