低功耗藍(lán)牙版本的特性演進(jìn)簡(jiǎn)介

藍(lán)牙是一種基于2.4GHz ISM頻段的短距離無(wú)線通信技術(shù)，具有低功耗、低成本、方便快捷的特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于智能手機(jī)、電腦、無(wú)線遙控等場(chǎng)景，是實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信的主流技術(shù)之一。自1999年Bluetooth Special Interest Group (SIG)發(fā)布的第一個(gè)藍(lán)牙版本，藍(lán)牙技術(shù)已經(jīng)發(fā)展了20余年，從藍(lán)牙1.0到藍(lán)牙5.4，每個(gè)版本都有迭代更新不同特性，藍(lán)牙1.0~3.0版本主要是與經(jīng)典藍(lán)牙相關(guān)，本文重點(diǎn)關(guān)注低功耗藍(lán)牙（即藍(lán)牙4.0及以后的版本）各版本的迭代特性。

Bluetooth Special Interest Group (SIG)成立于1998年，是推動(dòng)藍(lán)牙技術(shù)的非營(yíng)利性組織，全球超過(guò)36000名會(huì)員

藍(lán)牙SIG主要關(guān)注以下活動(dòng)

- 創(chuàng)建藍(lán)牙規(guī)格

- 通過(guò)認(rèn)證程序驅(qū)動(dòng)藍(lán)牙互操作性

- 提高藍(lán)牙知名度

藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展歷程

1藍(lán)牙4.0主要特性

藍(lán)牙4.0是第一個(gè)引入LE標(biāo)準(zhǔn)的版本，主要的優(yōu)勢(shì)是低功耗。定義了一個(gè)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接的微網(wǎng)結(jié)構(gòu)，Peripheral端通過(guò)Advertising和Central端建立數(shù)據(jù)連接，Advertising和Peripheral Connection在數(shù)據(jù)收發(fā)任務(wù)時(shí)間以外可以進(jìn)入低功耗睡眠狀態(tài)；Central端通過(guò)Scan和Peripheral端建立數(shù)據(jù)連接，Scan和Central Connection在數(shù)據(jù)收發(fā)任務(wù)時(shí)間以外可以進(jìn)入低功耗睡眠狀態(tài)。

主要有基本的功能，以實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接。

增加LE PHY

增加LE Link Layer

增加 LE test mode

ATT/GATT

AES encryption and Security Manager (SM)

Enhancements to L2CAP, GAP, and HCI for LE

2藍(lán)牙4.1主要特性演進(jìn)

藍(lán)牙4.1特性變更較小，主要兼容了BR/EDR和BLE同時(shí)存在，同時(shí)底層鏈路可以支持不同的角色，以及引入LE Privacy特性， 藍(lán)牙地址可以隱藏，用戶不必?fù)?dān)心藍(lán)牙設(shè)備被追蹤，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的隱私保護(hù)。

01LE dual mode topology and

Dualmode Addressing

相對(duì)上個(gè)版本擴(kuò)充了拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，允許雙模BR/EDR和BLE，鏈路層可以同時(shí)存在多個(gè)不同角色。

02LE L2CAP connection oriented channel

在兩個(gè)藍(lán)牙低功耗設(shè)備間提供了更有效的數(shù)據(jù)傳輸，允許同一時(shí)間的多個(gè)邏輯通道存在。

03Low duty cycle directed adv

直連廣播增加低占比模式，可被連接的持續(xù)時(shí)間更長(zhǎng)，瞬時(shí)廣播功耗更低。

04LE Privacy1.1

定義了Privacy基本概念，以實(shí)現(xiàn)設(shè)備的地址隱私保護(hù)。

05LE Ping

設(shè)備可以通過(guò)Ping Command定期檢查對(duì)端設(shè)備是否在線、以及加密管理的數(shù)據(jù)序列號(hào)是否正確。

3藍(lán)牙4.2主要特性演進(jìn)

藍(lán)牙4.2的主要變更增加了單個(gè)PDU數(shù)據(jù)收發(fā)長(zhǎng)度，改善了數(shù)據(jù)傳輸速率，用戶數(shù)據(jù)交互時(shí)體驗(yàn)感增加，另外LE secure connection增加了隱私保護(hù)度，使能LE secure connection后外圍設(shè)備或者sniffer無(wú)法解密數(shù)據(jù)。

01LE Data Packet Length Extension

允許PDU最大數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為257bytes，之前版本的PDU最大數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為33bytes，可以提高鏈路的數(shù)據(jù)吞吐率。

02LE Secure Connection

使用ECDH進(jìn)行密鑰交換和LTK產(chǎn)生，針對(duì)竊聽(tīng)和MITM提供更高一層的保護(hù)。

03Link layer Privacy

RPA解析功能從之前的host端完成改到鏈路層完成，能夠更快速的識(shí)別到對(duì)端設(shè)備，提高操作的靈活性。

04Link layer extended scanner filter

policies

Scan白名單過(guò)濾增加的一種特殊機(jī)制。

4藍(lán)牙5.0主要特性演進(jìn)

藍(lán)牙5.0變更較為顯著，支持2MPHY，傳輸速率是之前的2倍，用戶可以體驗(yàn)到明顯的速度提升，同時(shí)Long Rang的添加實(shí)現(xiàn)了更遠(yuǎn)的傳輸距離，LE Advertising Extensions更是擴(kuò)展了廣播的使用范圍，不管是在通道，PHY, 數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，以及廣播功能上都有較大的改進(jìn)。

01增加2Mbps LE PHY

2M PHY為可選支持PHY，速率為2Mkbps，相對(duì)1M PHY數(shù)據(jù)帶寬提高了1倍。

02增加LE Long range, S2 (500kbps),

S8 (125Kbps)

可以實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)的傳輸距離。

03增加High duty cycle non-connectable

ADV

最小廣播間隔從100ms減小到20ms，能夠讓對(duì)端設(shè)備更快掃描到。

04LE ADV Extensions

Extend ADV 使用40個(gè)信道而不是之前的3個(gè)信道

允許更大的ADV PDU(31bytes -> 254bytes)

增加了周期性廣播

允許多個(gè)廣播集同時(shí)存在（最多16個(gè)）

05LE Channel Selection Algorithm #2

跳頻算法只有12個(gè)不同的跳頻序列，新的跳頻算法2更隨機(jī)。

06Higher output power

將最大的發(fā)送功率，從4.0/4.1/4.2中的10mW增大到100mW。

5藍(lán)牙5.1主要特性演進(jìn)

藍(lán)牙5.1主要加入了測(cè)向功能，為室內(nèi)定位服務(wù)提供了技術(shù)支撐。

01Angle of Arrival (AoA) and

Angle of Departure (AoD)

新增AOA/AOD技術(shù)原理來(lái)確定設(shè)備方向，提供位置服務(wù)功能。

02Advertising Channel Index

允許廣播事件以任意順序在3個(gè)或其中的幾個(gè)primary channel上遞增，之前的版本只允許在3個(gè)primary channel上順序遞增。

03GATT Caching

每當(dāng)client端設(shè)備連接時(shí)，它都會(huì)執(zhí)行“服務(wù)發(fā)現(xiàn)”以查看服務(wù)器設(shè)備支持的功能這需要消耗時(shí)間和功耗。藍(lán)牙5.1增加GATT Caching功能后，在server端沒(méi)有任何更改的情況下，客戶端可以跳過(guò)服務(wù)發(fā)現(xiàn)流程，這意味著連接速度更快，并且消耗的能耗更少。

04Periodic Advertising Sync Transfer

增加將掃描到的周期性廣播同步信息通過(guò)ACL連接發(fā)送給另一個(gè)設(shè)備。

6藍(lán)牙5.2主要特性演進(jìn)

藍(lán)牙5.2的變更相對(duì)其他變更更為明顯，主要是針對(duì)音頻應(yīng)用的擴(kuò)展，它允許將有時(shí)間限制的數(shù)據(jù)傳輸?shù)揭粋€(gè)或多個(gè)設(shè)備以進(jìn)行時(shí)間同步處理，主要的應(yīng)用場(chǎng)景為私人音頻分享，公共音頻廣播，輔助接收助聽(tīng)器等。

01LE Isochronous Channel

定義了一個(gè)有時(shí)間依賴的數(shù)據(jù)傳輸通道和傳輸策略，用于低延時(shí)音頻數(shù)據(jù)傳輸，新增連接通道（CIS）和無(wú)連接通道（BIS）。

02LE Power Control

允許對(duì)端設(shè)備根據(jù)收到的信號(hào)強(qiáng)度和自身的接收靈敏度，發(fā)起修改對(duì)端設(shè)備發(fā)射功率的請(qǐng)求，以達(dá)到節(jié)省功耗的目的。

03Enhanced Attribute Protocol (EATT)

EATT可以多路數(shù)據(jù)并行，互相之間不影響，在有多個(gè)應(yīng)用程序使用低功耗藍(lán)牙設(shè)備時(shí)，降低阻塞的情況，從而減少應(yīng)用程序端到端延遲，提供更好的用戶體驗(yàn)。

7藍(lán)牙5.3主要特性演進(jìn)

藍(lán)牙5.3的主要變更方向?yàn)榻档凸?，減少設(shè)備延遲，提高抗干擾能力以及安全性能提升。

01AdvDataInfo in Periodic ADV

在周期性廣播字域中增加advDataInfo字段，可以通過(guò)ADI字段設(shè)別當(dāng)前數(shù)據(jù)是否曾經(jīng)被接收到，如果是重復(fù)的數(shù)據(jù)可以舍棄掉，以節(jié)省數(shù)據(jù)處理時(shí)間。

02LE Enhanced Connection Update

能夠快速有效的從較低的帶通速率切換到較高的帶通速率，以應(yīng)對(duì)突發(fā)的大數(shù)據(jù)收發(fā)，在大數(shù)據(jù)交互完成后可以迅速降低當(dāng)前帶寬，以節(jié)省能耗。

03LE Channel Classification

新增Peripheral可以根據(jù)自身的收包質(zhì)量，周圍信道干擾情況等信息，向central發(fā)送建議的信道請(qǐng)求，central可以做出適當(dāng)?shù)臎Q定，以獲取最佳的信道，以避開(kāi)干擾較大的信道，在之前的版本peripheral設(shè)備無(wú)法發(fā)送信道信息到central設(shè)備。

04Host to controller encryption

key control enhancements

增加加密密鑰長(zhǎng)度可以通過(guò)協(xié)商獲取功能，并且規(guī)定了最小密鑰長(zhǎng)度，提高鏈路安全性。

8藍(lán)牙5.4主要特性演進(jìn)

藍(lán)牙5.4變更相對(duì)較少，主要為周期性廣播響應(yīng)（PAwR）特性，為快速增長(zhǎng)的電子貨架標(biāo)簽(ESL)市場(chǎng)提供了標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議框架，進(jìn)一步擴(kuò)展了藍(lán)牙市場(chǎng)的應(yīng)用范圍。

01Advertising Coding Selection

當(dāng)發(fā)送擴(kuò)展廣播時(shí)，Host可以指定在LE PHY上使用哪種codec編碼方式。

02Encrypted Advertising Data

允許使用預(yù)共享的會(huì)話密鑰對(duì)ADV數(shù)據(jù)進(jìn)行加密，以避免基于ADV數(shù)據(jù)跟蹤設(shè)備，當(dāng)與私有地址結(jié)合使用時(shí)，可以防止竊聽(tīng)和攻擊，實(shí)現(xiàn)了更好的隱私保護(hù)。

03LE GATT Security Levels

Characteristics

增加安全級(jí)別特性(SLC) ，SLC 特性允許客戶端確定GATT服務(wù)器安全條件，如果要授予對(duì)端設(shè)備所有GATT功能的訪問(wèn)權(quán)限，則必須滿足這些條件。

04Periodic Advertising with Response

之前版本的周期性廣播只能從廣播者到觀察者單向通訊，而PAwR是一種雙向交互的無(wú)連接通訊，實(shí)現(xiàn)單個(gè)接入點(diǎn)與數(shù)千個(gè)終端節(jié)點(diǎn)進(jìn)行雙向通信。

9藍(lán)牙5.4+ 可能的主要特性演進(jìn)（預(yù)判）

01High Accuracy Distance Measurement,

AKA, Channel Sounding

主要用于距離定位的場(chǎng)景。

藍(lán)牙版本向下兼容，藍(lán)牙版本越高功能越強(qiáng)大。藍(lán)牙版本迭代更新很快，覆蓋的應(yīng)用領(lǐng)域也越來(lái)越多，泰凌深耕低功耗藍(lán)牙市場(chǎng)十多年，緊跟技術(shù)最新前沿，及時(shí)推出了一系列強(qiáng)有競(jìng)爭(zhēng)力的芯片和應(yīng)用方案，方便客戶開(kāi)發(fā)具有競(jìng)爭(zhēng)力的產(chǎn)品。目前泰凌在量產(chǎn)的芯片以及即將量產(chǎn)的芯片分別支持的對(duì)應(yīng)藍(lán)牙版本的功能如下：

TLSR8208: 1Mbps, 2Mbps

TLSR825x: 增加S2，S8模式，EXTADV，CSA#2， MeshSupport

TLSR827x: 增加AoA/AoD

TLSR921x: 增加CIS，BIS，IAL，PCL，PAST， Subrate, PAwR等

TLSR922x: 增加ChannelSounding

其中TLSR921x和922x均可以軟件升級(jí)支持5.4中的PAwR等功能。

關(guān) 于 泰 凌

泰凌微電子致力于為客戶提供一站式的低功耗高性能無(wú)線連接SoC芯片解決方案，包括經(jīng)典藍(lán)牙，藍(lán)牙低功耗，藍(lán)牙Mesh，Zigbee，Thread，Matter，Apple HomeKit，Apple“查找（Find My）”，和私有協(xié)議等低功耗2.4GHz多協(xié)議無(wú)線連接系統(tǒng)級(jí)芯片和豐富的固件協(xié)議棧。公司產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于智能照明，智能家居/樓宇，智能遙控，無(wú)線外設(shè)，智能零售，穿戴設(shè)備，無(wú)線音頻，智能玩具，物流追蹤，智慧城市等各類消費(fèi)和商業(yè)應(yīng)用場(chǎng)景中。

審核編輯：湯梓紅