藍牙5.2新特性及低功耗藍牙音頻（LE Audio）解讀

2020年1月6日 藍牙特別興趣小組（SIG）宣布了新的藍牙核心規(guī)范CoreSpec5.2，其中最引人注目的是下一代藍牙音頻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，還將通過一系列的規(guī)格調(diào)整增強藍牙音頻性能，包括縮小延遲，通過LC3編解碼增強音質(zhì)等。在通過LE實現(xiàn)短距離萬物互聯(lián)后，加上LE Audio，這將使得藍牙在物聯(lián)網(wǎng)時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個方面，我們將一一解讀，同時我們將著重談?wù)凩E Audio。

一、Enhanced ATT

便于理解，我們先把藍牙協(xié)議棧的結(jié)構(gòu)展示一下。

藍牙協(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上面是用戶的個性化的應(yīng)用)；中間Host層為主機層，也可以簡單理解為服務(wù)層的協(xié)議，他定義了藍牙服務(wù)的流程（GATT），不同服務(wù)的屬性（ATT），以及對服務(wù)的控制（L2CAP）；下層是連接層，是同無線通信相關(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)，用來作為主從設(shè)備間的信息交換和協(xié)商。而L2CAP則對上層數(shù)據(jù)進行拆分，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)進行分割或組合，來適配整體數(shù)據(jù)通路的PDU/SDU。

LE5.1及之前的版本中關(guān)于MTU有兩個特點，一是ATT與L2CAP之間關(guān)于MTU的定義是固定的，也就是說某種業(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必須在上一個完整的PDU/SDU完成之后才能執(zhí)行。如上圖左。

而對于LE5.2的EATT，MTU在ATT和L2CAP之間不再一一對應(yīng)，可以互相獨立配置。由此也帶來兩個特點，一是ATT和L2CAP之間的MTU和PDU大小是動態(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化或優(yōu)化
EATT只能通過加密連接使用，而ATT繼續(xù)允許通過未加密和加密的連接。

二、LE Power Control

根據(jù)藍牙CoreSpec以及接受靈敏度的定義，當接收錯誤BER超過0.1%的時候，連接便被認為是質(zhì)量不太好的連接。

對接收器而言，只有信號強度落在一定的不太強也不太弱的區(qū)域，他的性能才能達到最佳狀態(tài)。比如不會因為信號太強而飽和，也不會因為信號太弱而產(chǎn)生解碼錯誤。

CoreSpec5.2規(guī)定了對于發(fā)射功率的動態(tài)管理。通過對接受信號強度指標RSSI的監(jiān)控，來通知發(fā)射方增加或減少發(fā)射功率。這對于在使用時設(shè)備之間的距離經(jīng)常處于變化中的應(yīng)用來說比較節(jié)省功耗，從而達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），無論控制數(shù)據(jù)或者用戶數(shù)據(jù)。

1）LE Isochronous Channels

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

該同步通道同時支持連接模式和非連接模式。一對一連接模式采用LE-CIS (LE Connected Isochronous Stream)邏輯傳輸通道，清除機制將延遲數(shù)據(jù)flush掉。不同的LE-CIS組成CIG（Connected Isochronous Groups），同一個CIG內(nèi)的CIS具有相同的時間戳，以保證同一個group內(nèi)的數(shù)據(jù)是同步的，最明顯的應(yīng)用是耳機，左耳和右耳分別是一個CIS，他們組成一個CIG的話，相互之間的時間是同步的。

對于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)交換過程也沒有區(qū)別。

對于廣播模式，稱作是BIS（Broadcast Isochronous Stream），多個BIS可以組成一個BIG。廣播模式的同步是通過一個周期廣播的PDU實現(xiàn)的，該PDU包含有針對每個BIS的時間戳，一旦同步，接收方便可以稱為同步接收者。同樣的例子，如果對于一個手機播放著，一群人中的每個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BIG。

連接和廣播模式下，ISO的異同點大致總結(jié)為：

每個BIG或CIG最多包含31個BIS或CIS
BIS中從設(shè)備對主設(shè)備有信息反饋，而BIS情況下則沒有
BIS的重傳是通過接收方反饋的信息決定，而CIS的重傳是強制的
CIG中CIS的同步是通過CIG的事件以及CIS的時間參數(shù)取得，而BIG中BIS的同步是通過周期廣播的同步PDU實現(xiàn)。
同時支持4種物理層
相比于經(jīng)典藍牙的音頻解決方案，通過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新接口也會同時引入。

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)典藍牙音頻的SBC及mSBC。

低復雜性通信編解碼器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)品屬性之間進行更好的設(shè)計折中。“LC3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編解碼標準將會在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，但音頻依然是藍牙應(yīng)用中最大的單品市場，參見下圖藍牙官方數(shù)據(jù)（單位：10億，不包括手機，電腦，平板等）。

藍牙組織提供的關(guān)于LE Audio的應(yīng)用場景非常具有典型性，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制，創(chuàng)造了更可觀的場景。

LE Audio是未來藍牙音頻的新基石，在手機必定取消任何物理接口的不遠將來，藍牙耳機，音箱，以及諸多音頻場景將是LE Audio的巨大舞臺。