蓝牙BLE传输性能及延迟分析

BLE传输性能主要受以下几个因素影响：操作类型，Connection Interval，每个Connection Event内发送的帧数、每一帧数据的长度。具体参见如下链接：

https://en.wikipedia.org/wiki/Bluetooth_low_energy

https://devzone.nordicsemi.com/question/3440/how-do-i-calculate-throughput-for-a-ble-link/

https://atmosphere.anaren.com/wiki/Data_rates_using_BLE

https://punchthrough.com/blog/posts/maximizing-ble-throughput-on-ios-and-android

目前的一个项目对BLE传输性能有较高要求，将以上几个因素逐一确认，使用协议支持的最优值，其中Connection Interval设置为7.5ms，每一帧数据长度为20字节，每个Connection Event根据业务需要设置为2，依此计算出的理论传输速度约为5600Bps。为了测试实际效果，在Android端写了一个小程序，将数据流和时间戳打印出来，如下：

[21]:TS 238.794720 PN 20780 [1]:
[21]:TS 238.795954 PN 20780 [2]:
[21]:TS 238.802182 PN 20781 [1]:
[21]:TS 238.802373 PN 20781 [2]:
[21]:TS 238.810432 PN 20782 [1]:
[21]:TS 238.832608 PN 20782 [2]:
[21]:TS 238.832650 PN 20783 [1]:
[21]:TS 238.832728 PN 20783 [2]:
[21]:TS 238.832751 PN 20784 [1]:
[21]:TS 238.832820 PN 20784 [2]:
[21]:TS 238.832843 PN 20785 [1]:
[21]:TS 238.833862 PN 20785 [2]:
[21]:TS 238.839201 PN 20786 [1]:
[21]:TS 238.839403 PN 20786 [2]:
[21]:TS 238.848280 PN 20787 [1]:
[21]:TS 238.848894 PN 20787 [2]:
……
[21]:TS 288.128815 PN 27346 [1]:
[21]:TS 288.128977 PN 27346 [2]:
[21]:TS 288.136323 PN 27347 [1]:
[21]:TS 288.136908 PN 27347 [2]:
[21]:TS 288.159292 PN 27348 [1]:
[21]:TS 288.159569 PN 27348 [2]:
[21]:TS 288.159922 PN 27349 [1]:
[21]:TS 288.165079 PN 27349 [2]:
[21]:TS 288.167879 PN 27350 [1]:
[21]:TS 288.168157 PN 27350 [2]:
[21]:TS 288.173809 PN 27351 [1]:
[21]:TS 288.173906 PN 27351 [2]:

其中21为数据长度、TS为时间戳、PN为包号，1和2是一个Connection Event内的包的类型。可以看到，一般情况下，一个Connection Event发送两帧数据，这两帧数据的时间间隔在1ms以内，两个Connection Event之间的时间间隔约为7ms。为了直观呈现测试结果，在PC端写了一个工具以分析抓取的LOG，主要根据包号、包的类型、字节长度和时间戳，统计丢包率和传输速度，如下图所示。

可以看到，一共传输了约16.3万个包，没有数据丢失，两帧之间最大时间间隔约为22.384ms，最大传输速度为5641Bps，平均速度约为5583Bps，与理论值(5600Bps)相差不多。Connection Interval对传输性能的影响对比下图，其Connection Interval为11.25ms。

BLE传输延迟(Latency)主要是指设备端将数据放至蓝牙协议栈到Android主机收到的时间间隔。由于通信双方时间戳不统一，无法按照前面通过打印时间戳的方式来做统计传输延迟，只能通过硬件信号做同步。设备端将数据放至蓝牙协议栈时给出一个信号，Android主机收到该数据时也给出一个信号，使用示波器抓取两个信号即可得到数据通过蓝牙BLE传输的延迟，如下图所示。

Channel3为发送端的信号，Channel2为接收端的信号，可以看到BLE传输延迟约为8ms左右，会上下波动。

数据传输延迟还跟Android端软件读取数据的均匀程度有关，Android端软件需及时将数据从缓存中读取出来，否则也会造成一定的延迟。评估数据读取均匀程度的方法同上，也是通过示波器抓取波形来看，如下图所示。

其中1通道为设备端发送数据，2通道为Android端读取数据，双方节奏基本保持一致，确保了及时读取和分发设备端上报的数据。

本文主要是通过打流和抓波形的方法，验证了蓝牙BLE的传输性能和延时。实际调试过程中还可以使用FTS4BT工具分析btsnoop_hci.log文件，以探究BLE建立链接、Update Parameters和数据传输等细节。