【综合】BT5 新特性

作者：HW-LC

BT5的新特性基本都是BLE方面的改进，总的来说就是：

1：2X的传输速率。

2：4X的工作距离。

3：8X的广播包长度。

下面的特性大多数都是围绕这些数据来说明的。

PHY
蓝牙是一个全功能的协议栈，协议栈底层是物理层，通常被称为PHY。
BT5相对于BT4增加了两个新的PHY变体，因为有明确的目标，每个PHY变体被设计的拥有其独特的特性，为了后续规格书能够更加容易引用他们，这些PHYs的名字被简称为：LE 1M，LE 2M和LE Coded。

LE 1M
LE 1M是BT4的PHY，它使用GFSK（高斯频移键控），用于1 Ms/s的符号率，在BT5中是强制支持的。

LE 2M
新增的LE 2M允许物理层使用2 Ms/s的符号率，因此能使用比BT4 LE 1M更高的数据率。

LE Coded
LE Coded PHY相对于BT4 LE 1M，在不需要增加传输功率的情况下拥有4倍的工作距离。


Range
BT5用于比BT4更远的工作距离，作者实测在次优环境下可以达到350米，在后续商用蓝牙模块中也可能达到500米。
蓝牙是一种无线电技术，无线电是电磁辐射的一种形式，在这种通信技术上下文中，最大工作距离是可以从接受信号中正确的提取数据，而不仅仅是接收到信号。

在形式上，我们把传输信号的功率跟背景噪声的比值成为信噪比（SNR），当接收器远离发射器的时候，在恒定背景噪声的情况下，接收器的信号强度多少都会降低，因此信噪比也会降低，误码率（BER）也会提高。
误码率是接收器解错误析发射器传输的比特的概率，蓝牙要求接收器的误码率必须小于0.1%。
在最大BER限制下，不增加发射功率的情况下增加蓝牙的工作距离的确是一个问题，因为会带来更小的SNR。
在通信系统中，通过两大策略来处理错误：一个是错误检测，一个是错误纠正。

错误检测
接收器有很多种错误检测的方案来检测错误，奇偶校验位方案已经使用了几十年了。有线，串行通信系统任然使用奇偶校验位来检测错误。
还有就是循环冗余校验（CRC），所有的数据包都有一个24比特的CRC值。接收器重新计算CRC，并与数据包中的CRC进行比较，如果它们不一样则发生了错误。
如果检测到错误，系统有两种方式应对：
- 丢弃（如果错误是致命的）。
- 请求让发射器重新发送该数据（只需要不回复ACK即可，发射器则会重新发送数据）。

错误修正
接收器不仅能检测错误，还要在某些场景下能够修复错误，这样就不需要等待发射器的数据重传了。BLE4仅支持错误检测，不支持错误修正。
使用高级的错误纠正技术有利于在低SNR情况下解码，因此可以离发射器更远，这是BT5拥有更远的工作距离的基础。LE Coded PHY使用前向纠错技术（FEC），他通过在传输数据包中增加额外的冗余比特，唯一的目的是支持FEC算法来确定正确的值和对应的错误比特。
FEC编码使用一个卷积编码器，使用如下算法对每个输入比特生成两比特冗余：

LE Coded PHY使用两种不同的编码方案：S=2和S=8，模型映射器把通过卷积FEC编码器把每个比特映射到P符号中，P的值取决于使用的编码方案，如果S=2则没有什么不同，如果S=8，则经过FEC编码器之后每个比特都会变成4比特，具体转换如下：

S=2和S=8两种方案会导致两种不同的结果，使用S=2方案，工作距离会翻倍，使用S=8方案，工作距离会变成4倍，但是我们可以看到，因为接收器需要冗余数据来支持FEC算法，这个也影响发射器传输的符号数量，因此会降低数据率。

PHY选择
Host可以使用新的HCI（Host Control Interface）命令来切换PHY方案，下面是BT5不同的PHY方案的关键指标：

在同等发射功率的情况下，不同PHY对应的接收器天线灵敏度是不一样的：

功率
BT5中最大的发射功率定义为+20 dBm，而在BT4中这个层级定义为+10 dBm，将TX功率提升10倍可能会对最大传输范围产生根本的影响，而且不同的主管机构不允许高于+10 dBm的发射功率，这个是因为BT4中BLE仅可以使用简化的跳频序列和少量的信道。

然后BT5可以使用比BT4更多的信道（得益于新的跳频算法），这些增强功能可以允许BT5设备未来将在全球各地使用高于+10 dBm的发射功率，从而提供传输性能并建立更强大的连接。

广播
扩展信道
BT4的广播包最大支持37字节，如果除去6字节的头部，那么有效载荷最大只有31字节。广播数据包通过专用的三个信道（37，38，39）来广播数据，每个信道有2 MHz的宽度，总的信道数量有40个，编号为0-39。
同样的有效载荷会典型的发送到3个信道，每个时刻发送一个信道。
相对于BT4，BT5的广播有很大的变化，GAP（Generic Access Profile）中增加了广播，扫描，连接等8个跟广播相关的PDUs，这些变化允许在无连接场景下广播更多的数据量，也显著增加了占空比的利用。
4个旧的PDU（legacy）：ADV_IND，ADV_DIRECT_IND，ADV_NONCONN_IND，ADV_SCAN_IND
4个新的PDU（extended）：ADV_EXT_IND，AUX_ADV_IND，AUX_SYNC_IND，AUX_CHAIN_IND

大数据包和广播信道卸载
BT5允许使用255长度的数据包，这个是通过offloading（卸载）有效载荷到其他的信道（0-36）来完成的，这些信道之前只允许用于连接事件（在连接上数据可能传输时，一个连接事件就是一个时隙），另外无连接场景下允许更大的数据包，这会带来其他的好处。

数据头新增了一个AuxPtr字段，在37，38，39信道上传输，这个也就是BT5中所说的Primary Channel。AuxPtr字段包含了广播有效载荷中的数据包将在哪个Secondary Channel中传输，因此接收器知道将在哪个信道来接收。

广播数据包链
在那些需要广播大量数据的用户场景，可以通过把数据包链在一起，每个数据包都是整个数据集的一个子集，每个链在一起的数据包都可以通过不同信道来传输，因为数据头中AuxPtr包含了链中的下一块数据。

需要注意的是BT5最大允许使用255的PDU，但是并不代表Host端只能广播255字节的数据，实际上Host端可以使用1650长度的广播数据（参见BT5 SPEC page 2716）。

Controller可以支持Host广播数据分片，总的Host广播数据在分片前最大长度不能超过1650，当链路层对Host广播数据分片时，Controller会对分片数量和每个分片大小进行指定，Controller需要尽量少的产生分片数量来确保Host广播数据传输的可靠性。Host可以指定倾向的Controller分片方案，但是Controller可以忽略Host的这个倾向。如果广播，或者扩展广播发送的扫描回复数据量，或者扫描PDU，加上扩展数据包头长，广播模式和扩展数据包头超过了广播物理信道PDU有效载荷的最大长度（255字节），链路层需要对Host广播数据进行分片。

广播集
BT4没有广播载荷的条款，可以通过合入私有的扩展包来在某些模块中实现这个功能，BT5通过标准机制来实现广播数据的多路，不同子集。
广播集有一个ID来指定一个给定的数据包具体属于哪个子集，每个子集有他自己的广播参数，例如广播使用的间隔（interval）和PDU类型，广播数据集可以使用Primary channel或者Secondary channel。重要的是：任务的调度和不同子集的传输属于Controller链路层，而不是由Host来驱动，这样子将带来更低的功耗。Host只需要通知Controller广播集和他们各自的参数即可，剩下的就交给链路层来完成。

周期广播
在广播事件调度进程中，广播通常包含一定程度的随机性，通过故意插入随机延迟来避免持久数据包的冲突，在BT4中这个是广播能够正常工作的唯一办法。BT5引入了定期执行的能力和确定性广播，允许扫描者用扫描数据包来同步广播设备时间表。这是一个更高能效的扫描方式，同样可能给BLE的其他无连接用户场景铺平道路，比如音频应用程序。
GAP定义了一个同步模式和一个非同步模式，当在同步模式下操作时，定义了一个周期广播同步建链流程。周期广播，在同步模式下执行，使用了一个新的数据头字段SyncInfo，包含了时间和时间偏移，定期广播使用了一个新的GAP PDU叫做AUX_SYNC_IND。

减少竞争和工作周期
BT5中最有趣的广播变更是：广播当前使用的信道，使用Primary channel 37，38，39来携带少量的数据，使用Secondary channel 0-36来携带大多数的数据。因为使广播数据使用了所有可用的信道，只有较小的数据头使用了Primary channel，这个将减少Primary channel的竞争。
此外BT4在三个不同的信道上传输同样的有效载荷三次，BT5在Primary channel通过较小的数据头，只需要传输这些数据一次，因为总的传输数据量减少了，因此工作周期也减少了。

新增加的广播PDUs
为了支持新增加的消息，我们增加了额外的广播PDUs，这些PDUs在如下事件时广播：
- ADV_EXT_IND
增加不可连接（仅广播）和定向扫描事件，此封包可以在Primary channel上广播，并表示可以提供Secondary channel上的广播信息，比如：在哪个信道上广播，什么时候广播，以及使用哪个PHY。
- AUX_ADV_IND
用于在次广播信道上发送的广播数据的第一片段，此封包可以在Secondary channel上广播主要的有效载荷，最大255字节。
- AUX_CHAIN_IND
用于发送剩下的数据，在未完成的辅助PDU广播事件。
- AUX_SYNC_IND
用于间隔广播，在固定信道上的单向数据。

如果只发送数据量小于1个AUX_ADV_IND长度（255字节），参见于BT5 Spec page 2759：

如果发送的数据量大于1个AUX_ADV_IND长度（255字节）,参见于BT5 Spec page 2765：

定期广播使用ADV_EXT_IND封包只是定期广播模式，该封包会指向AUX_ADV_IND，其中包含有关定期广播模式的实际信息：广播间隔，跳频序列，广播者地址，参见于BT5 SPEC page 2753：

T_IFS： Time Inter Frame Space，150微秒。
T_MAFS： Time Minimum Auxiliary Frame Space，300微秒。

高占空比非建链广播
针对非建链广播，最小广播间隔已经从100 ms降低为20 ms，这个将有助于设备像beacons一样快速识别和回复广播数据包。

可用时间块标记
BT5做了一些改进来提高与设备上其他无线技术的的共存，比如智能手机。
BT使用2.4 GHz ISM频段，这个是紧邻移动无线标准频段，比如LTE，当在灵敏度低的接收器上进行传输时，这两个系统有潜在的干扰风险，BT使用可用时间块标记（SAM，Slot Availability Masks）系统，它允许蓝牙标记可用的时间块来进行同步，这个是紧邻移动无线标准频段的最好方式。

标记设备的收发时间块，其他蓝牙设备获取该信息即可避免在该设备忙碌是争抢信道资源，有利于在信道资源有限的情况下维持多设备同时工作。
蓝牙本身有一个防冲突的协议，比如A设备当前WLAN在下载，那么A设备的蓝牙协议栈就告诉当前设备的蓝牙最好不要工作，但是B设备的蓝牙协议栈不知道A设备的WLAN在工作，所以还是会尝试去通信，从而带来干扰，可用时间块标记（Slot Availability Mask，SAM）就是A设备同步自己的可用时间块信息（类似AWDL的availability window）到B，B等到A到了自己的Availability Slot的时候再开始通信，从而减少共存干扰。

跳频
蓝牙在连接的时候使用自适应跳频技术，这是一个算法来确定收发的无线信道，涉及到选择信道的切换频率，因此数据可以在一个较宽频段上进行通信，这个让蓝牙在拥塞的无线环境下可以正常工作。
BT4用于跳频的信道选择算法只使用12个特定的信道，连接事件中所有的数据包都使用同样的信道，这个不是最优方案，比如音频场景。
BT5使用了一种新跳频算法，跳频序列是伪随机的，特定信道的随机范围特别大，设备可以在连接参数中指定他们是否支持新的跳频算法，使用共享的事件计数器，确保连接的对端设备从伪随机的可用信道中选择同样的信道。

意义
BT5代表了蓝牙技术中的下一个里程碑，使用新的远距离LE Coded PHY可以提供整套住宅，建筑物的覆盖。更高符号率的LE 2M PHY提高了频谱利用率，能够支撑新兴用户场景，比如：体育，健康，医疗设备。蓝牙的广播扩展特性给下一代beacons，音频场景铺平了道路，新的工业应用和智慧城市应用将成为可能。
BT5将会在很多方面产生重大影响，并进一步将其定位为低功耗无线互联网的首选技术。

BT5.1更新
BT5.1相对于BT5增加了寻向（direction finding）功能，GATT缓存增强等特性。

待更新
BLE Mesh
Voice Over BLE