藍(lán)牙5.2新特性及低功耗藍(lán)牙音頻（LE Audio）解讀

2020年1月6日 藍(lán)牙特別興趣小組（SIG）宣布了新的藍(lán)牙核心規(guī)范CoreSpec5.2，其中最引人注目的是下一代藍(lán)牙音頻LE Audio的頒布。LE Audio不僅支持連接狀態(tài)及廣播狀態(tài)下的立體聲，還將通過(guò)一系列的規(guī)格調(diào)整增強(qiáng)藍(lán)牙音頻性能，包括縮小延遲，通過(guò)LC3編解碼增強(qiáng)音質(zhì)等。在通過(guò)LE實(shí)現(xiàn)短距離萬(wàn)物互聯(lián)后，加上LE Audio，這將使得藍(lán)牙在物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代獲得徹底新生和騰飛。

這次Core Spec5.2的更新主要體現(xiàn)在3個(gè)方面，我們將一一解讀，同時(shí)我們將著重談?wù)凩E Audio。

一、Enhanced ATT

便于理解，我們先把藍(lán)牙協(xié)議棧的結(jié)構(gòu)展示一下。

藍(lán)牙協(xié)議棧大的劃分為三層，最上層屬于應(yīng)用層面包括SIG定義的各種profile(在profile上面是用戶的個(gè)性化的應(yīng)用)；中間Host層為主機(jī)層，也可以簡(jiǎn)單理解為服務(wù)層的協(xié)議，他定義了藍(lán)牙服務(wù)的流程（GATT），不同服務(wù)的屬性（ATT），以及對(duì)服務(wù)的控制（L2CAP）；下層是連接層，是同無(wú)線通信相關(guān)的底層鏈路（LINK）及物理層（PHY）。

ATT層主要是定義了不同服務(wù)的屬性參數(shù)，用來(lái)作為主從設(shè)備間的信息交換和協(xié)商。而L2CAP則對(duì)上層數(shù)據(jù)進(jìn)行拆分，組裝，或流控以匹配底層（Controller）的能力。

MTU（Maximum Transmission Unit）是不同層協(xié)議的最大數(shù)據(jù)處理能力，決定了不同層次協(xié)議處理最大PDU/SDU的尺寸。在ATT中定義了某種服務(wù)的ATT_MTU，那么L2CAP在處理上下層的數(shù)據(jù)時(shí)需要根據(jù)上下層協(xié)議間不同的MTU或自己的MTU將數(shù)據(jù)進(jìn)行分割或組合，來(lái)適配整體數(shù)據(jù)通路的PDU/SDU。

LE5.1及之前的版本中關(guān)于MTU有兩個(gè)特點(diǎn)，一是ATT與L2CAP之間關(guān)于MTU的定義是固定的，也就是說(shuō)某種業(yè)務(wù)的MTU一旦建立連接后，便不可以更改，且二者之間是一一對(duì)應(yīng)的；二是數(shù)據(jù)的處理是順序的，不同業(yè)務(wù)MTU必須在上一個(gè)完整的PDU/SDU完成之后才能執(zhí)行。如上圖左。

而對(duì)于LE5.2的EATT，MTU在ATT和L2CAP之間不再一一對(duì)應(yīng)，可以互相獨(dú)立配置。由此也帶來(lái)兩個(gè)特點(diǎn)，一是ATT和L2CAP之間的MTU和PDU大小是動(dòng)態(tài)可配置（MTU可變大）；二是不同業(yè)務(wù)之間的PDU可以交叉處理，減小了數(shù)據(jù)延遲。如上圖右。

EATT相比較舊的ATT有如下影響：

一些新的PDU只能在EATT承載上使用
某些ATT PDU可用于ATT承載，但不能用于EATT
一些PDU的定義或流程被重新細(xì)化或優(yōu)化
EATT只能通過(guò)加密連接使用，而ATT繼續(xù)允許通過(guò)未加密和加密的連接。

二、LE Power Control

根據(jù)藍(lán)牙CoreSpec以及接受靈敏度的定義，當(dāng)接收錯(cuò)誤BER超過(guò)0.1%的時(shí)候，連接便被認(rèn)為是質(zhì)量不太好的連接。

對(duì)接收器而言，只有信號(hào)強(qiáng)度落在一定的不太強(qiáng)也不太弱的區(qū)域，他的性能才能達(dá)到最佳狀態(tài)。比如不會(huì)因?yàn)樾盘?hào)太強(qiáng)而飽和，也不會(huì)因?yàn)樾盘?hào)太弱而產(chǎn)生解碼錯(cuò)誤。

CoreSpec5.2規(guī)定了對(duì)于發(fā)射功率的動(dòng)態(tài)管理。通過(guò)對(duì)接受信號(hào)強(qiáng)度指標(biāo)RSSI的監(jiān)控，來(lái)通知發(fā)射方增加或減少發(fā)射功率。這對(duì)于在使用時(shí)設(shè)備之間的距離經(jīng)常處于變化中的應(yīng)用來(lái)說(shuō)比較節(jié)省功耗，從而達(dá)到剛剛好的功耗滿足剛剛好的應(yīng)用。

相應(yīng)的，Link增加了相應(yīng)的控制PDU，HCI上也增加了相應(yīng)的接口來(lái)滿足功率控制的新特性。

三、LE Audio

CoreSpec5.1定義的LE有如下一些對(duì)比特性：

支持4種物理層，包括1M，2M，CodedS2，CodedS8等。
只支持異步傳輸通道ACL（asynchronous connection logical transport），無(wú)論控制數(shù)據(jù)或者用戶數(shù)據(jù)。

1）LE Isochronous Channels

簡(jiǎn)單的說(shuō)，LE同步通道定義了一個(gè)有時(shí)間依賴的數(shù)據(jù)的傳輸通道和傳輸策略。首先是一個(gè)對(duì)于多接收方同步獲取數(shù)據(jù)的機(jī)制；其次是定義了發(fā)送方在允許的時(shí)間外丟棄數(shù)據(jù)，從而保證接收方收取的數(shù)據(jù)滿足時(shí)效要求。

該同步通道同時(shí)支持連接模式和非連接模式。一對(duì)一連接模式采用LE-CIS (LE Connected Isochronous Stream)邏輯傳輸通道，清除機(jī)制將延遲數(shù)據(jù)flush掉。不同的LE-CIS組成CIG（Connected Isochronous Groups），同一個(gè)CIG內(nèi)的CIS具有相同的時(shí)間戳，以保證同一個(gè)group內(nèi)的數(shù)據(jù)是同步的，最明顯的應(yīng)用是耳機(jī)，左耳和右耳分別是一個(gè)CIS，他們組成一個(gè)CIG的話，相互之間的時(shí)間是同步的。

對(duì)于Interval和event，與LE5.1的概念沒有區(qū)別，但以1.25ms的倍數(shù)定義在5ms到4s之間。主從之間的數(shù)據(jù)交換過(guò)程也沒有區(qū)別。

對(duì)于廣播模式，稱作是BIS（Broadcast Isochronous Stream），多個(gè)BIS可以組成一個(gè)BIG。廣播模式的同步是通過(guò)一個(gè)周期廣播的PDU實(shí)現(xiàn)的，該P(yáng)DU包含有針對(duì)每個(gè)BIS的時(shí)間戳，一旦同步，接收方便可以稱為同步接收者。同樣的例子，如果對(duì)于一個(gè)手機(jī)播放著，一群人中的每個(gè)人的左右耳也必須接收同步的數(shù)據(jù)流，那么左右耳的數(shù)據(jù)就必須屬于同一個(gè)BIG。

連接和廣播模式下，ISO的異同點(diǎn)大致總結(jié)為：

每個(gè)BIG或CIG最多包含31個(gè)BIS或CIS
BIS中從設(shè)備對(duì)主設(shè)備有信息反饋，而BIS情況下則沒有
BIS的重傳是通過(guò)接收方反饋的信息決定，而CIS的重傳是強(qiáng)制的
CIG中CIS的同步是通過(guò)CIG的事件以及CIS的時(shí)間參數(shù)取得，而BIG中BIS的同步是通過(guò)周期廣播的同步PDU實(shí)現(xiàn)。
同時(shí)支持4種物理層
相比于經(jīng)典藍(lán)牙的音頻解決方案，通過(guò)A2DP Profile去解決現(xiàn)有的音頻應(yīng)用，LE Audio提供了更為廣泛的應(yīng)用場(chǎng)景。
其他的，為了支持ISO新通道，LINK層也添加了Isochronous Adaptation Layer (ISOAL)層，為的是適配HOST與LINK層對(duì)于CIS或BIS大小的不同；新的Security模式3也引入，為了在BIS的情況下也能夠使用加密數(shù)據(jù)；自然的，一些GAP，HCI新接口也會(huì)同時(shí)引入。

2）LE Isochronous Channels

LE在數(shù)據(jù)流層面定義了新音頻的傳輸機(jī)制，在音質(zhì)處理上面，聯(lián)盟也將引入新的音頻編解碼LC3以取代曾經(jīng)廣泛使用在經(jīng)典藍(lán)牙音頻的SBC及mSBC。

低復(fù)雜性通信編解碼器LC3 (Low Complexity Communications Codec)，采樣率：8、16、24、32、44.1、48kHz，比特率：16-320kbps ，幀速率：7.5、10ms。LC3即使在低數(shù)據(jù)速率下也能提供高質(zhì)量，使他們能夠在音頻質(zhì)量和功耗等關(guān)鍵產(chǎn)品屬性之間進(jìn)行更好的設(shè)計(jì)折中?！癓C3將比Classic Audio隨附的SBC編解碼器提高音頻質(zhì)量，即使比特率降低50％也是如此”。

據(jù)悉，LC3編解碼標(biāo)準(zhǔn)將會(huì)在2020年中發(fā)布。附圖為網(wǎng)傳的LC3特性。

四、展望

相比較低功耗藍(lán)牙LE產(chǎn)品，雖然預(yù)期在2023年LE的出貨量將是LE Audio的2到3倍，但音頻依然是藍(lán)牙應(yīng)用中最大的單品市場(chǎng)，參見下圖藍(lán)牙官方數(shù)據(jù)（單位：10億，不包括手機(jī)，電腦，平板等）。

藍(lán)牙組織提供的關(guān)于LE Audio的應(yīng)用場(chǎng)景非常具有典型性，LE Audio除了提供更為高質(zhì)量的音質(zhì)效果，通過(guò)重新定義的ISO通道提供了連接和廣播等不同方式的音頻傳輸機(jī)制，創(chuàng)造了更可觀的場(chǎng)景。

LE Audio是未來(lái)藍(lán)牙音頻的新基石，在手機(jī)必定取消任何物理接口的不遠(yuǎn)將來(lái)，藍(lán)牙耳機(jī)，音箱，以及諸多音頻場(chǎng)景將是LE Audio的巨大舞臺(tái)。