了解蓝牙技术的可(kě)靠性

2021-08-10

了解蓝牙技术的可(kě)靠性

与其他(tā)无線(xiàn)通信技术一样，蓝牙也使用(yòng)无線(xiàn)電(diàn)。但无線(xiàn)電(diàn)作為(wèi)编码和传输数据的媒介并不可(kě)靠，因為(wèi)存在各种挑战。因此，不仅仅是蓝牙，任何建立在物(wù)理(lǐ)层无線(xiàn)電(diàn)基础上的通信技术都必须应对一系列基本问题。但是，通过正确的堆栈设计和各个层中的正确流程，可(kě)以建立高度可(kě)靠的无線(xiàn)電(diàn)通信。

图 1：在通道 2 上发生冲突

简而言之，当传输的数据等于接收的数据并且与该数据相关的任何预期操作按预期发生时，就会发生可(kě)靠的蓝牙通信。然而，在现实世界中，有(yǒu)时可(kě)能(néng)会有(yǒu)更细微的定义，这取决于所涉及的不同可(kě)靠性参数。例如：

容错能(néng)力

99.9999% 的成功率可(kě)能(néng)被认為(wèi)是可(kě)靠的。

潜伏

要在数据传输的 500 毫秒(miǎo)内观察到预期的动作，需要低系统延迟。

交易

一系列更新(xīn)，其中要么成功应用(yòng)所有(yǒu)更改，要么不进行任何更改。

弹力

即使在某些组件面临故障/恶化之后，系统也能(néng)成功处理(lǐ)操作。

图 2：不同步通信中丢失的数据包

对基于无線(xiàn)電(diàn)的技术的挑战

无線(xiàn)電(diàn)通信发生在无線(xiàn)電(diàn)频谱的信道内。如果两个设备同时在同一信道上传输，它们会相互破坏——导致数据丢失。这称為(wèi)碰撞。其发生的概率由重复发生的次数和传播所用(yòng)的时间决定。除此之外，还有(yǒu)传输速度和数据包大小(xiǎo)。

图 3：能(néng)量随距离减少

众所周知，蓝牙使用(yòng)2.4GHz频段，也称為(wèi)ISM。Wi-Fi、ZigBee 和 DECT 電(diàn)话也可(kě)以使用(yòng)此频段。

蓝牙设备中的无線(xiàn)電(diàn)通常是半双工的，即它们可(kě)以同时发送和接收。以设备A在信道上将数据包传输到设备B的场景為(wèi)例。

对于接收，设备 B 必须同时在正确的频道上主动收听。如果它没有(yǒu)在侦听，或者在不同的通道上，则不会收到数据包。设备花(huā)费在侦听上的时间比例称為(wèi) Rx 占空比。不要忘记，一个设备一次只能(néng)收听一个频道。

信号强度也有(yǒu)巨大的影响。当信号强度较低时（因為(wèi)它相对接近背景噪声），一个人可(kě)能(néng)会遇到更多(duō)错误。蓝牙核心规范规定允许高达 0.1% 的误码率 (BER)。除此之外的任何事情都是不可(kě)接受的。

无線(xiàn)電(diàn)可(kě)以保持在此限制内的信号强度称為(wèi)其接收器灵敏度。因此，如果您是产品设计师，选择具有(yǒu)良好接收器灵敏度的收音机很(hěn)重要。

堆栈实现通常包括几个用(yòng)于临时数据包存储的缓冲區(qū)。如果数据包到达缓冲區(qū)的速率在足够長(cháng)的时间内超过数据包消耗的速率，缓冲區(qū)将开始溢出并丢失数据。

GFSK 应对的可(kě)靠性挑战

无線(xiàn)電(diàn)信号特性用(yòng)于表示数字数据的方式称為(wèi)调制方案。与基于幅度的方案相比，基于频率的方案往往更不易受噪声干扰。

图 4：GFSK 上移或下移中心载频以表示 1 或 0

蓝牙使用(yòng)一种特殊的基于频率的调制方案，称為(wèi)高斯频移键控 (GFSK)。它通过向上或向下移动中心载波频率来表示 1 或 0。

但是频率的突然变化会产生噪音。因此，GFSK 增加了一个滤波器，使频率过渡平滑且噪声较小(xiǎo)。GFSK 是一个很(hěn)好的基础平台，您可(kě)以在此基础上进行无線(xiàn)通信。

蓝牙数据包字段

蓝牙数据包具有(yǒu)各种字段。开头是前导码，它有(yǒu) 8 位長(cháng)，包含 1 和 0 的交替模式。它用(yòng)于查找精确的发射机频率并设置无線(xiàn)電(diàn)的增益控制。

图 5：蓝牙数据包中的字段

访问地址為(wèi) 32 位長(cháng)，包含一个特殊值，这意味着数据包可(kě)以被任何蓝牙设备或特定连接的唯一标识符接收。由于蓝牙控制器将接收相关和不相关的信号，因此它必须能(néng)够區(qū)分(fēn)并准确地挑选出相关的信号。

在遠(yuǎn)端，有(yǒu)循环冗余校验 (CRC)，可(kě)检测传输数据是否因冲突而被无意更改或损坏。它是通过将发送器计算的 CRC 与接收器计算的 CRC 进行比较来执行的。如果它们不相同，则一定发生了损坏，并且数据包被丢弃。
消息完整性代码 (MIC)，也称為(wèi)消息身份验证代码 (MAC)，是一种安全功能(néng)，可(kě)帮助检测故意篡改的数据（而不是意外通过冲突）。

错误修正

堆栈的物(wù)理(lǐ)层 (PHY) 有(yǒu)一个变體(tǐ)，称為(wèi) LE 编码 PHY，它允许蓝牙不仅可(kě)以检测错误，还可(kě)以在特定限制的数据包中纠正错误。这有(yǒu)助于以低信噪比 (SNR) 进行通信。

离发射机越遠(yuǎn)，信号强度越低，SNR 会变得更糟，从而更难保持低误码率。但是通过前向纠错 (FEC)，您可(kě)以在低 SNR 下工作，因此在更遠(yuǎn)的范围内仍然可(kě)靠。

扩频

蓝牙解决可(kě)靠性挑战的重要方式之一是通过采用(yòng)扩频技术的各种方式。因此，不是对所有(yǒu)数据包使用(yòng)单个通道，而是通过一组不同的通道传输它们，从而最大限度地减少冲突的可(kě)能(néng)性。

可(kě)靠地处理(lǐ)蓝牙通信

在连接时，设备会就某些通信参数达成一致，其中包括一些与时间相关的参数，例如无線(xiàn)電(diàn)用(yòng)于服務(wù)此连接的频率。无線(xiàn)電(diàn)必须可(kě)能(néng)在许多(duō)不同的连接之间共享。此特定参数称為(wèi)连接间隔。

在连接间隔开始时，设备轮流发送和接收数据包之间的间隔為(wèi) 150 微秒(miǎo)。控制连接的精确、商(shāng)定的定时参数提供了两个设备的发送和接收行為(wèi)之间的协调，并使通信可(kě)靠。

面向连接的通信

面向连接的通信中的扩频如下所示：蓝牙 LE 将 2.4GHz 频段划分(fēn)為(wèi) 40 个通道，每个通道宽度為(wèi) 2MHz。其中三个用(yòng)于广告（专用(yòng)于无连接通信）。其他(tā) 37 个在两个连接的设备通信时使用(yòng)。

图 6：2.4GHz 频段划分(fēn)為(wèi) 40×2MHz 信道

图 7：连接使用(yòng)和无線(xiàn)電(diàn)共享的简化说明

在每个连接事件中，使用(yòng)的信道随机改变。因此，通过这种方式，数据包传输在 ISM 频段周围散布。此外，系统会记录任何不良信道（由于 CRC 故障或频谱干扰）并将其删除。因此，即使当 ISM 频带的一部分(fēn)饱和时，也能(néng)确保有(yǒu)效的通信。这整个行為(wèi)被称為(wèi)自适应跳频 (AFH)。AFH 显着降低了冲突的可(kě)能(néng)性，并使蓝牙设备即使在非常困难的无線(xiàn)電(diàn)环境中也能(néng)正常运行。

图 8：自适应跳频跨信道分(fēn)配通信

如前所述，信号强度会极大地影响可(kě)靠性，而 FEC 是用(yòng)于解决此问题的技术之一。但是，另外请注意，当接收信号的電(diàn)平保持在某个范围（称為(wèi)黄金范围）内时，无線(xiàn)電(diàn)接收器的工作效果最佳。有(yǒu)一项称為(wèi) LE 功率控制的蓝牙功能(néng)，它允许连接的设备请求动态更改传输功率级别，以便接收信号强度保持在此黄金范围内。当设备之间的距离在正常使用(yòng)过程中发生变化时，这尤其有(yǒu)用(yòng)。

避免缓冲區(qū)溢出

為(wèi)了缓解缓冲區(qū)溢出的可(kě)靠性挑战，必须管理(lǐ)数据包的流量。这可(kě)以使用(yòng)称為(wèi)流量控制的技术来完成，该技术用(yòng)于许多(duō)不同的通信技术。

图 9：流量控制

堆栈的低功耗蓝牙 L2CAP 层在需要时应用(yòng)流量控制，并支持各种不同的流量控制模式。例如，如果您在堆栈顶部使用(yòng)增强属性协议，那么它使用(yòng) L2CAP 层内的基于增强信用(yòng)的流控制模式，允许接收设备与发送设备通信其当前接收数据包的能(néng)力。如果它為(wèi)零，则接收器的缓冲區(qū)已满，发送器将在再次恢复数据包传输之前等待。

图 10：流量控制技术

因此，它是一种动态流量控制策略，可(kě)以防止缓冲區(qū)溢出。

用(yòng)于无连接通信的低功耗蓝牙可(kě)靠性

在蓝牙中，无连接通信称為(wèi)广告。在基本情况下，每个数据包的副本以随机频道顺序在每个频道上广播。它们的时间间隔完全由广播设备控制，与发射机没有(yǒu)任何协调。还有(yǒu)另一种广告形式，称為(wèi)扩展广告，它使用(yòng)所有(yǒu) 40 个蓝牙 LE 通道。

在基本广告中使用(yòng)三个信道不如在连接中使用(yòng)自适应跳频那么复杂。但是广告渠道被故意放置得很(hěn)遠(yuǎn)，以便在某一部分(fēn)的干扰不会完全阻止通信。

基本广告以定义的时间间隔发生，但它包括在長(cháng)达 10 毫秒(miǎo)的数据包传输调度中的一些随机时间变化。这是為(wèi)了避免与碰巧在同一时间表上传输或广告的附近设备发生持续冲突。

蓝牙无连接通信不会尝试协调广告设备的活动与接收设备的活动。但是，有(yǒu)一种特殊的广告模式叫做定期广告，它使广告的时间完全确定和精确。

图 11：定期广告

并且扫描设备还可(kě)以发现广播设备的周期性广告时间表，以便它们可(kě)以与其精确同步其扫描活动。

这样，与基本的广告形式相比，设备可(kě)以更可(kě)靠、更有(yǒu)效地接收广播数据。

蓝牙网状网络

蓝牙网状网络允许创建大型网络，拥有(yǒu)数以万计的设备。这是一种使用(yòng)蓝牙 LE 的特殊方式，其中网状堆栈位于蓝牙 LE 控制器的顶部。

蓝牙网格定义了承载，它提供了使用(yòng)蓝牙 LE 控制器进行网格消息通信的不同方式。并且承载為(wèi)无连接和面向连接的通信提供支持。

解决蓝牙网状网络问题

Mesh 节点可(kě)以配置為(wèi)以定义的时间间隔自动重传消息，以便快速重传多(duō)个副本。因此，当您发送多(duō)个副本时，邮件丢失的可(kě)能(néng)性会急剧下降。如果您想确保所有(yǒu)接收设备同时处理(lǐ)消息（即使它们没有(yǒu)收到相同的副本），也可(kě)以通过使用(yòng)延迟参数来实现，该参数在许多(duō)网格消息中可(kě)用(yòng)类型。

图 12 显示了以 50ms 的间隔发送 3 次的消息。在这里，第一个副本的延迟参数為(wèi) 100 毫秒(miǎo)，并且被六个目标灯中的四个接收到。

图 12：以 50 毫秒(miǎo)為(wèi)间隔发送 3 次消息

图 13 显示了第二个副本在 50 毫秒(miǎo)后发送，并由六个灯中的第 5 个接收。

图 13：第二个副本在 50 毫秒(miǎo)后发送，并被六个灯中的第 5 个接收

然后最终副本没有(yǒu)指定延迟（图 14）。它由六个灯中的第二个接收。然后所有(yǒu)六个节点一致执行请求的状态更改，恰好是在按下電(diàn)灯开关后 100 毫秒(miǎo)。这避免了所谓的爆米花(huā)效应，即灯光不会同时亮起。

图 14：最终副本没有(yǒu)指定延迟

蓝牙网状多(duō)路径传送

蓝牙网状网络的常见网络设计策略是通过在您的节点子集中启用(yòng)中继功能(néng)，在整个网络中构建多(duō)条冗余路径（图 15）。然后，当您发送消息时，原则上所有(yǒu)这些路径都可(kě)用(yòng)。在实践中，如果由于节点的占空比而导致一条路径不可(kě)用(yòng)，则有(yǒu)可(kě)能(néng)其他(tā)路径之一可(kě)用(yòng)，并且您传输的消息将到达路径末端的目的地。

图 15：跨网络的多(duō)条冗余路径