使用BLE4.2的系统设计：更快、更安全、更节能-第1部分

提到家庭和工业自动化、物联网(IoT)、可穿戴设备、人机接口设备(HID)众多应用的无线连接协议时，蓝牙一定是首选。为满足各种应用的需求，蓝牙技术联盟(SIG)对蓝牙规格进行了持续改进。发布4.1版大约一年后， SIG在2014年12月蓝牙发布了蓝牙规范4.2版。新的4.2主要包括三项更新 - 低功耗(LE)数据长度扩展(DLE)、链路层(LL)隐私保护以及安全性加强。这些功能提高了BLE数据带宽、隐私保护和安全性，同时还有助于降低功耗。本系列文章将详细讨论这些功能以及它们如何影响系统性能。

蓝牙低功耗(BLE)协议栈可以分成三个部分：

控制器：协议栈控制器对数据包进行了加密，转换为无线信号发送。在接收时，控制器将对无线信号解码，并重构数据包。

主机：主机由管理两个或多个设备相互通信的各种协议和配置文件(安全管理器、属性协议等)组成。

应用：可使主机和控制器实现一个特定功能的用例。

链路层(LL)

蓝牙4.2的大部分新功能都集中在链路层周围。链路层在建立可靠物理链路和功能中扮演着非常重要的角色，有助于提高BLE协议稳健性和能效。链路层功能包括广播、扫描、创建和维护连接以建立物理链路。在链路层上定义了两个角色：主设备和从设备。

数据长度扩展(DLE)

数据长度扩展能够使两个BLE设备之间的数据传输更快。为了了解DLE功能，请先让我们来看看链路层上的BLE数据包。下图所示为蓝牙4.0/4.1的链路层数据包结构。

如果我们仔细观察各数据包的开销，将发现存在1个字节的前导、4个字节的访问地址、2个字节的数据头、3个字节的循环冗余检查(CRC)和一个可选的4个字节的消息完整性检查(MIC)。当使用加密时，消息完整性检查(MIC)将与有效负载一起发送。因此，每个包含27个字节数据的加密链路层数据均含有14个字节的开销。现在，让我们来看看蓝牙4.2定义的链路层数据包结构。

相较于旧版本蓝牙规范的27字节，蓝牙4.2中的有效负载量可达到251个字节。每个数据包开销仍然保持不变，即14个字节。然而，该开销现已与多达251个字节相关联，而不是27个字节。这种最小有效负载的变化提高了吞吐量并减少了处理时间。

图4所示为当数据需要通过蓝牙4.1和蓝牙4.2从一个设备传输至另一个设备时的吞吐量。

在上图中，数据包时间的计算方法如下：

数据包时间= 8 *(前导字节的数量+访问地址字节的数量+头字节的数量+有效负载字节的数量+ MIC字节的数量+ CRC字节的数量)/数据速率 秒

对于接收数据包，不存在有效负载和MIC字节。因此，接收数据包时间为：

发送数据包时间= 8 *(1 + 4 + 2 + 3)/ 106 秒

=80微秒

含27个字节的有效负载的发送数据包时间为：

发送数据包时间= 8 *(1 + 4 + 2 + 27 + 4 + 3)/ 106秒

=328微秒

同样，251个字节的有效负载的发送数据包时间为2120微秒。

另外，如上图所示，随着各发送/接收数据包，存在两个相关的帧间间隔(T_IFS)，一个为发送期间，一个为接收期间。如果某个事务的帧数量增加，则该事务的耗时也将成比例地增加。当数据长度功能被启用时，相较于蓝牙4.1，蓝牙4.2在一个帧内打包了更多数据，从而减少了每次事务处理的总时间，并增加了吞吐量(其中，吞吐量 =有效负载尺寸/总时间)。

如上图所示，对于蓝牙4.1链路层，最大有效负载尺寸为27个字节(216比特)以及该交易的总时间为708微秒，意味着约 298 kbps的理论吞吐量。

而对于4.2链路层，最大有效负载尺寸为251个字节(2008比特)以及总时间为2500微秒，意味着约 784 kbps的理论吞吐量。因此，相较于蓝牙4.1，蓝牙4.2提供了大约2.6倍的更高吞吐量。

BLE 4.2允许主设备和从设备之间协商数据长度，还允许不对称的发送和接收有效负载量。有效地利用该功能以及选择合适的接收/发送数据长度对于实现最大吞吐量具有十分重要的意义。

让我们考虑这样一个应用：BLE从设备需要将几千字节传输至主设备、从主设备接收空包并且连接间隔为8.75毫秒。假设在以下设置中协商数据长度(从设备)：

情景1 – 发送 - 251个字节，接收 - 251字节

情景2 – 发送 - 251个字节，接收 - 27字节

在情景1中，如图5所示，在第一次接收/发送数据包时，接收有效负载尺寸为0字节以及发送有效负载尺寸为251个字节，耗时2.5毫秒(包括帧间间隔)。第二次接收/发送数据包也是一样的。这两个接收/发送数据包共耗时5毫秒，在此连接间隔内剩下3.85毫秒。在理想情况下，应该在同一连接间隔内存在另一个接收/发送数据包。但是，主设备的调度器不会在此连接间隔内安排另一个接收/发送数据包。这是因为调度器会基于协商的数据长度