了解藍牙技術(shù)的可靠性

2021-08-10

了解藍牙技術(shù)的可靠性

與其他無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)一樣，藍牙也使用無(wú)線(xiàn)電。但無(wú)線(xiàn)電作為編碼和傳輸數據的媒介并不可靠，因為存在各種挑戰。因此，不僅僅是藍牙，任何建立在物理層無(wú)線(xiàn)電基礎上的通信技術(shù)都必須應對一系列基本問(wèn)題。但是，通過(guò)正確的堆棧設計和各個(gè)層中的正確流程，可以建立高度可靠的無(wú)線(xiàn)電通信。

圖 1：在通道 2 上發(fā)生沖突

簡(jiǎn)而言之，當傳輸的數據等于接收的數據并且與該數據相關(guān)的任何預期操作按預期發(fā)生時(shí)，就會(huì )發(fā)生可靠的藍牙通信。然而，在現實(shí)世界中，有時(shí)可能會(huì )有更細微的定義，這取決于所涉及的不同可靠性參數。例如：

容錯能力

99.9999% 的成功率可能被認為是可靠的。

潛伏

要在數據傳輸的 500 毫秒內觀(guān)察到預期的動(dòng)作，需要低系統延遲。

交易

一系列更新，其中要么成功應用所有更改，要么不進(jìn)行任何更改。

彈力

即使在某些組件面臨故障/惡化之后，系統也能成功處理操作。

圖 2：不同步通信中丟失的數據包

對基于無(wú)線(xiàn)電的技術(shù)的挑戰

無(wú)線(xiàn)電通信發(fā)生在無(wú)線(xiàn)電頻譜的信道內。如果兩個(gè)設備同時(shí)在同一信道上傳輸，它們會(huì )相互破壞——導致數據丟失。這稱(chēng)為碰撞。其發(fā)生的概率由重復發(fā)生的次數和傳播所用的時(shí)間決定。除此之外，還有傳輸速度和數據包大小。

圖 3：能量隨距離減少

眾所周知，藍牙使用2.4GHz頻段，也稱(chēng)為ISM。Wi-Fi、ZigBee 和 DECT 電話(huà)也可以使用此頻段。

藍牙設備中的無(wú)線(xiàn)電通常是半雙工的，即它們可以同時(shí)發(fā)送和接收。以設備A在信道上將數據包傳輸到設備B的場(chǎng)景為例。

對于接收，設備 B 必須同時(shí)在正確的頻道上主動(dòng)收聽(tīng)。如果它沒(méi)有在偵聽(tīng)，或者在不同的通道上，則不會(huì )收到數據包。設備花費在偵聽(tīng)上的時(shí)間比例稱(chēng)為 Rx 占空比。不要忘記，一個(gè)設備一次只能收聽(tīng)一個(gè)頻道。

信號強度也有巨大的影響。當信號強度較低時(shí)（因為它相對接近背景噪聲），一個(gè)人可能會(huì )遇到更多錯誤。藍牙核心規范規定允許高達 0.1% 的誤碼率 (BER)。除此之外的任何事情都是不可接受的。

無(wú)線(xiàn)電可以保持在此限制內的信號強度稱(chēng)為其接收器靈敏度。因此，如果您是產(chǎn)品設計師，選擇具有良好接收器靈敏度的收音機很重要。

堆棧實(shí)現通常包括幾個(gè)用于臨時(shí)數據包存儲的緩沖區。如果數據包到達緩沖區的速率在足夠長(cháng)的時(shí)間內超過(guò)數據包消耗的速率，緩沖區將開(kāi)始溢出并丟失數據。

GFSK 應對的可靠性挑戰

無(wú)線(xiàn)電信號特性用于表示數字數據的方式稱(chēng)為調制方案。與基于幅度的方案相比，基于頻率的方案往往更不易受噪聲干擾。

圖 4：GFSK 上移或下移中心載頻以表示 1 或 0

藍牙使用一種特殊的基于頻率的調制方案，稱(chēng)為高斯頻移鍵控 (GFSK)。它通過(guò)向上或向下移動(dòng)中心載波頻率來(lái)表示 1 或 0。

但是頻率的突然變化會(huì )產(chǎn)生噪音。因此，GFSK 增加了一個(gè)濾波器，使頻率過(guò)渡平滑且噪聲較小。GFSK 是一個(gè)很好的基礎平臺，您可以在此基礎上進(jìn)行無(wú)線(xiàn)通信。

藍牙數據包字段

藍牙數據包具有各種字段。開(kāi)頭是前導碼，它有 8 位長(cháng)，包含 1 和 0 的交替模式。它用于查找精確的發(fā)射機頻率并設置無(wú)線(xiàn)電的增益控制。

圖 5：藍牙數據包中的字段

訪(fǎng)問(wèn)地址為 32 位長(cháng)，包含一個(gè)特殊值，這意味著(zhù)數據包可以被任何藍牙設備或特定連接的唯一標識符接收。由于藍牙控制器將接收相關(guān)和不相關(guān)的信號，因此它必須能夠區分并準確地挑選出相關(guān)的信號。

在遠端，有循環(huán)冗余校驗 (CRC)，可檢測傳輸數據是否因沖突而被無(wú)意更改或損壞。它是通過(guò)將發(fā)送器計算的 CRC 與接收器計算的 CRC 進(jìn)行比較來(lái)執行的。如果它們不相同，則一定發(fā)生了損壞，并且數據包被丟棄。
消息完整性代碼 (MIC)，也稱(chēng)為消息身份驗證代碼 (MAC)，是一種安全功能，可幫助檢測故意篡改的數據（而不是意外通過(guò)沖突）。

錯誤修正

堆棧的物理層 (PHY) 有一個(gè)變體，稱(chēng)為 LE 編碼 PHY，它允許藍牙不僅可以檢測錯誤，還可以在特定限制的數據包中糾正錯誤。這有助于以低信噪比 (SNR) 進(jìn)行通信。

離發(fā)射機越遠，信號強度越低，SNR 會(huì )變得更糟，從而更難保持低誤碼率。但是通過(guò)前向糾錯 (FEC)，您可以在低 SNR 下工作，因此在更遠的范圍內仍然可靠。

擴頻

藍牙解決可靠性挑戰的重要方式之一是通過(guò)采用擴頻技術(shù)的各種方式。因此，不是對所有數據包使用單個(gè)通道，而是通過(guò)一組不同的通道傳輸它們，從而最大限度地減少沖突的可能性。

可靠地處理藍牙通信

在連接時(shí)，設備會(huì )就某些通信參數達成一致，其中包括一些與時(shí)間相關(guān)的參數，例如無(wú)線(xiàn)電用于服務(wù)此連接的頻率。無(wú)線(xiàn)電必須可能在許多不同的連接之間共享。此特定參數稱(chēng)為連接間隔。

在連接間隔開(kāi)始時(shí)，設備輪流發(fā)送和接收數據包之間的間隔為 150 微秒?？刂七B接的精確、商定的定時(shí)參數提供了兩個(gè)設備的發(fā)送和接收行為之間的協(xié)調，并使通信可靠。

面向連接的通信

面向連接的通信中的擴頻如下所示：藍牙 LE 將 2.4GHz 頻段劃分為 40 個(gè)通道，每個(gè)通道寬度為 2MHz。其中三個(gè)用于廣告（專(zhuān)用于無(wú)連接通信）。其他 37 個(gè)在兩個(gè)連接的設備通信時(shí)使用。

圖 6：2.4GHz 頻段劃分為 40×2MHz 信道

圖 7：連接使用和無(wú)線(xiàn)電共享的簡(jiǎn)化說(shuō)明

在每個(gè)連接事件中，使用的信道隨機改變。因此，通過(guò)這種方式，數據包傳輸在 ISM 頻段周?chē)⒉?。此外，系統會(huì )記錄任何不良信道（由于 CRC 故障或頻譜干擾）并將其刪除。因此，即使當 ISM 頻帶的一部分飽和時(shí)，也能確保有效的通信。這整個(gè)行為被稱(chēng)為自適應跳頻 (AFH)。AFH 顯著(zhù)降低了沖突的可能性，并使藍牙設備即使在非常困難的無(wú)線(xiàn)電環(huán)境中也能正常運行。

圖 8：自適應跳頻跨信道分配通信

如前所述，信號強度會(huì )極大地影響可靠性，而 FEC 是用于解決此問(wèn)題的技術(shù)之一。但是，另外請注意，當接收信號的電平保持在某個(gè)范圍（稱(chēng)為黃金范圍）內時(shí)，無(wú)線(xiàn)電接收器的工作效果最佳。有一項稱(chēng)為 LE 功率控制的藍牙功能，它允許連接的設備請求動(dòng)態(tài)更改傳輸功率級別，以便接收信號強度保持在此黃金范圍內。當設備之間的距離在正常使用過(guò)程中發(fā)生變化時(shí)，這尤其有用。

避免緩沖區溢出

為了緩解緩沖區溢出的可靠性挑戰，必須管理數據包的流量。這可以使用稱(chēng)為流量控制的技術(shù)來(lái)完成，該技術(shù)用于許多不同的通信技術(shù)。

圖 9：流量控制

堆棧的低功耗藍牙 L2CAP 層在需要時(shí)應用流量控制，并支持各種不同的流量控制模式。例如，如果您在堆棧頂部使用增強屬性協(xié)議，那么它使用 L2CAP 層內的基于增強信用的流控制模式，允許接收設備與發(fā)送設備通信其當前接收數據包的能力。如果它為零，則接收器的緩沖區已滿(mǎn)，發(fā)送器將在再次恢復數據包傳輸之前等待。

圖 10：流量控制技術(shù)

因此，它是一種動(dòng)態(tài)流量控制策略，可以防止緩沖區溢出。

用于無(wú)連接通信的低功耗藍牙可靠性

在藍牙中，無(wú)連接通信稱(chēng)為廣告。在基本情況下，每個(gè)數據包的副本以隨機頻道順序在每個(gè)頻道上廣播。它們的時(shí)間間隔完全由廣播設備控制，與發(fā)射機沒(méi)有任何協(xié)調。還有另一種廣告形式，稱(chēng)為擴展廣告，它使用所有 40 個(gè)藍牙 LE 通道。

在基本廣告中使用三個(gè)信道不如在連接中使用自適應跳頻那么復雜。但是廣告渠道被故意放置得很遠，以便在某一部分的干擾不會(huì )完全阻止通信。

基本廣告以定義的時(shí)間間隔發(fā)生，但它包括在長(cháng)達 10 毫秒的數據包傳輸調度中的一些隨機時(shí)間變化。這是為了避免與碰巧在同一時(shí)間表上傳輸或廣告的附近設備發(fā)生持續沖突。

藍牙無(wú)連接通信不會(huì )嘗試協(xié)調廣告設備的活動(dòng)與接收設備的活動(dòng)。但是，有一種特殊的廣告模式叫做定期廣告，它使廣告的時(shí)間完全確定和精確。

圖 11：定期廣告

并且掃描設備還可以發(fā)現廣播設備的周期性廣告時(shí)間表，以便它們可以與其精確同步其掃描活動(dòng)。

這樣，與基本的廣告形式相比，設備可以更可靠、更有效地接收廣播數據。

藍牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )

藍牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )允許創(chuàng )建大型網(wǎng)絡(luò )，擁有數以萬(wàn)計的設備。這是一種使用藍牙 LE 的特殊方式，其中網(wǎng)狀堆棧位于藍牙 LE 控制器的頂部。

藍牙網(wǎng)格定義了承載，它提供了使用藍牙 LE 控制器進(jìn)行網(wǎng)格消息通信的不同方式。并且承載為無(wú)連接和面向連接的通信提供支持。

解決藍牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )問(wèn)題

Mesh 節點(diǎn)可以配置為以定義的時(shí)間間隔自動(dòng)重傳消息，以便快速重傳多個(gè)副本。因此，當您發(fā)送多個(gè)副本時(shí)，郵件丟失的可能性會(huì )急劇下降。如果您想確保所有接收設備同時(shí)處理消息（即使它們沒(méi)有收到相同的副本），也可以通過(guò)使用延遲參數來(lái)實(shí)現，該參數在許多網(wǎng)格消息中可用類(lèi)型。

圖 12 顯示了以 50ms 的間隔發(fā)送 3 次的消息。在這里，第一個(gè)副本的延遲參數為 100 毫秒，并且被六個(gè)目標燈中的四個(gè)接收到。

圖 12：以 50 毫秒為間隔發(fā)送 3 次消息

圖 13 顯示了第二個(gè)副本在 50 毫秒后發(fā)送，并由六個(gè)燈中的第 5 個(gè)接收。

圖 13：第二個(gè)副本在 50 毫秒后發(fā)送，并被六個(gè)燈中的第 5 個(gè)接收

然后最終副本沒(méi)有指定延遲（圖 14）。它由六個(gè)燈中的第二個(gè)接收。然后所有六個(gè)節點(diǎn)一致執行請求的狀態(tài)更改，恰好是在按下電燈開(kāi)關(guān)后 100 毫秒。這避免了所謂的爆米花效應，即燈光不會(huì )同時(shí)亮起。

圖 14：最終副本沒(méi)有指定延遲

藍牙網(wǎng)狀多路徑傳送

藍牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )的常見(jiàn)網(wǎng)絡(luò )設計策略是通過(guò)在您的節點(diǎn)子集中啟用中繼功能，在整個(gè)網(wǎng)絡(luò )中構建多條冗余路徑（圖 15）。然后，當您發(fā)送消息時(shí)，原則上所有這些路徑都可用。在實(shí)踐中，如果由于節點(diǎn)的占空比而導致一條路徑不可用，則有可能其他路徑之一可用，并且您傳輸的消息將到達路徑末端的目的地。

圖 15：跨網(wǎng)絡(luò )的多條冗余路徑