BLE 包结构及传输速率

蓝牙BLE的最大特点就是低功耗，而低速率和简单的交互协议是降低功耗的重要组成部分。因此BLE一般应用于低速率的近场控制和数据交互，如智能家电、运动手环等等，小数量的控制和交互对传输速度没有要求，每秒1K字节就可以了，有时为了功耗可能会更低。但在某些场景下，可能要求BLE尽可能提高传输速率，如无线空中升级OTA、无线对讲语音传输等等。接下来，我们来分析如何提高BLE的速率来满足需求，并探讨BLE连接的稳定性。

一、BLE数据包分析

BLE包的结构是：



preamble（1 Byte）+ AccessAddress（4 Bytes）+ PDU + CRC（3 Bytes）

1）preamble = 10101010 or 01010101

2）Access Address = 0x8e89bedd6

3）连接以后的数据传输的PDU是：Header（2 Bytes）+ Payload （27 Bytes max）+MIC（4bytes），所以传输一个包的   最大长度是1+4+33+3=41字节，有效数据最大是27字节。

二、自定义characteristic的最大长度

   从上面分析可见，通过WRITE或者NOTIFY characteristic发送一个包的最大长度是27字节。但是这个27字节指的是BLE底层的协议包格式。对于profile层的characteristic，其最大的长度是20字节，也即是每个包最大的长度是20字节。

   这是因为profile所用的characteristic处于GATT协议层，而GATT到ATT层需要增加一个字节的op code，两个自己的attribute handle。然后ATT到L2CAP适配层需要增加4个字节的L2CAP头。所以从GATT到底层需要封装7个字节的额外协议数据，因此GATT层最大是20字节。

   其实，按照蓝牙BLE的协议，L2CAP协议层自动对数据包进行拆包和封装，理论上是支持ATT/GATT层更大的数据包的。但一般SDK默认ATT_MTU=23，这样L2CAP的工作会变得很简单，事实上，BLE的应用场景也不需要定义太长的数据包，20个字节足够了。

三、BLE的传输速率分析

   根据蓝牙BLE协议， 物理层physical layer的传输速率是1Mbps，相当于每秒125K字节。事实上，其只是基准传输速率，协议规定BLE不能连续不断地传输数据包，否则就不能称为低功耗蓝牙了。连续传输自然会带来高功耗。所以，蓝牙的最高传输速率并不由物理层的工作频率决定的。

在实际的操作过程中，如果主机连线不断地发送数据包，要么丢包严重要么连接出现异常而断开。

在BLE里面，传输速度受其连接参数所影响。连接参数定义如下：

1）连接间隔。蓝牙基带是跳频工作的，主机和从机会商定多长时间进行跳频连接，连接上才能进行数据传输。这个连接和广播状态和连接状态的连接不是一样的意思。主机在从机广播时进行连接是应用层的主动软件行为。而跳频过程中的连接是蓝牙基带协议的规定，完全由硬件控制，对应用层透明。明显，如果这个连接间隔时间越短，那么传输的速度就增大。连接上传完数据后，蓝牙基带即进入休眠状态，保证低功耗。其是1.25毫秒一个单位。

2）连接延迟。其是为了低功耗考虑，允许从机在跳频过程中不理会主机的跳频指令，继续睡眠一段时间。而主机不能因为从机睡眠而认为其断开连接了。其是1.25毫秒一个单位。明显，这个数值越小，传输速度也高。

蓝牙BLE协议规定连接参数最小是5，即7.25毫秒；而Android手机规定连接参数最小是8，即10毫秒。iOS规定是16，即20毫秒。

连接参数完全由主机决定，但从机可以发出更新参数申请，主机可以接受也可以拒绝。Android手机一部接受，而ios比较严格，拒绝的概率比较高。

一般场景，连接参数设置16，即20毫秒，一般的传输速率是50* 20 = 1000字节/每秒。如果每个连接事件传输更多的包，可以获得更高的传输速率。

四、BLE高速传输的应用场景和技术实践

   降低连接间隔，提高每个连接事件的发包数能够显著地提高速率，但是两者往往是矛盾的。因为一个连接事件的传送时间总是有限的。从实践来看，BLE的传输速率不仅跟连接参数有关，还跟CPU的处理能力有关[CC2541的51核要比DA14580的M0逊色不少]。此外还要对发送和接收流程进行优化处理，这个非常重要。需要注意的是，高速率也会带来稳定性问题，需要优化profile的数据交互场景和一些参数。

   高速率传输会带来更高的功耗，但是这个功耗应该是远比经典蓝牙的功耗低的。语音传输以往一般使用经典蓝牙芯片，功耗一般在毫安级别。便携式电子产品对功耗要求很高，对于单纯的语音对讲场景来说，BLE是可以满足需求的。语音使用8K采样率，16位量化，一秒即是16K字节/每秒。如果使用ADPCM编码压缩，可以压缩四分之一，即4K字节每秒。对于BLE来说，这个速度是完全可以达到的。如果是8bit量化，不压缩也是8K字节每秒。TI官方宣称CC2541的最大的传输速率是5.9K字节每秒。而DA14580则可以达到8K字节/每秒的速率。嵌入式企鹅圈基于目前最低功耗蓝牙单芯片DA14580已经demo通过，距离超过10米，稳定性也有保证。

根据Bluetooth 4.0 BLE部分协议： 
BLE中物理层physical layer的传输速率是1Mbps，除了这个外，数据传输速率与包大小、CPU处理时间相关。 
包结构： 
1.总体结构： 
preamble（1 Byte）+ Access Address（4 Bytes）+ PDU + CRC（3 Bytes） 
preamble = 10101010 or 01010101 
Access Address = 0x8e89bedd6 
2. 广播包 
PDU = Header（2 Bytes）+ Payload （37 Bytes max.） 
Header： 1）0000 - connected undirected advertising event 可连接非定向广播事件 
2）0001 - connected directed advertising event 可连接定向广播事件 
3）0010 - non-connected undirected advertising event 不可连接非定向广播事件 
4）0011 - response to scan request form scanner扫描请求响应 
5）0101 - connect request by initiator连接请求 
6）0110 -connected directed advertising event 可发现非定向广播事件 
非定向广播包（Undirected advertising packets） 
Payload = AdvA (6 Bytes) + AdvData (31 Bytes max.) ; 
// AdvA contains advertiser‘s public address if TxAdd = 1, or a random address if TxAdd = 0; 
// AdvData advertising data; 
定向广播包（Directed advertising packets） 
Payload = AdvA (6 Bytes) + InitA(6 Bytes) ; 
// AdvA contains advertiser‘s public address if TxAdd = 1, or a random address if TxAdd = 0; 
// InitA contains initiator’s address if RxAdd = 1, or a random address if RxAdd = 0;

1. 扫描请求及扫描响应 
   PDU = Header（2 Bytes）+ Payload （37 Bytes max.） 
   Header： 1）0011 - scan request for further information from advertiser 扫描请求 
   2）0100 - response to scan request from scanner 扫描响应 
   扫描请求 
   Payload = ScanA (6 Bytes) + AdvA(6 Bytes) ; 
   // ScanA contains Scanner’s public address if TxAdd = 1, or a random address if TxAdd = 0; 
   // AdvA contains advertiser‘s public address if TxAdd = 1, or a random address if TxAdd = 0; 
   扫描响应 
   Payload = AdvA(6 Bytes) + ScanRspData（0~31Bytes）; 
   // ScanRspData data from advertiser’s host; 
   // AdvA contains advertiser‘s public address if TxAdd = 1, or a random address if TxAdd = 0;

2. 连接请求 
   PDU = Header（2 Bytes）+ Payload （34 Bytes） 
   Header：0101 - connect request by initiator 
   Payload =InitA（6 Bytes）+ AdvA（6bytes）+ LLData（22 Bytes） 
   LLData 包含连接信息，详细结构参考bluetooth 4.0 协议。

3. LL 数据通道及控制包 
   PDU = Header（2 Bytes）+ Payload （27 Bytes max.） 
   Header：详细说明参考bluetooth 4.0 协议； 
   LL 数据通道 
   Payload = 0~27 bytes 
   LL 控制包 
   Payload = 1~23 Bytes

若只考虑蓝牙设备连接之后，评估数据传输速率 
最大包长度：preamble（1 Byte）+ Access Address（4 Bytes）+ PDU（29 Bytes） + CRC（3 Bytes）= 41 Bytes 
射频PHY传输速率 1Mbps 
则传输有效payload 27字节耗时：41*8/1 = 328 us 
一个27字节的传输周期 ：328 + 150 + 80 + 150 = 708 us，若能持续传输，即传输速度：38KB/s，这样显然功耗不会低，也不符合BLE协议规范，真正的传输速度受连接事件间隔和间隔内能传输数据包数目相关。 
如果连接时间间隔设置到7.5ms（协议规定最小值），一个连接事件传输3个包，则传输速率大约是10.8kB/s，一个连接事件能传输几个包与连接设备密切相关，看到很多CC2540实测数据，时间间隔7.5ms和一个传输时间3个包以上很多都达不到，51内核是其重要原因之一，在 http://processors.wiki.ti.com/index.php/CC2540_Data_Throughput有5.9KB/s，也有在论坛看到有40ms间隔，2个包，即1.4KB/s成功的案例，以后有时间我再实测下速度。