藍牙低功耗的各種數據傳輸模式比較
2023-10-12 11:48:45 EETOP智能手機無處不在，但是如今，物聯網 (IoT) 設備可能比智能手機更常見，而且其中許多設備都運行藍牙低功耗 ( BLE ) 技術。無論您是專門從事物聯網、探索物聯網產品開發機會的工程師，還是只是對物聯網的工作原理感興趣，了解 BLE 都會讓您受益匪淺。在本文中，我們將熟悉 BLE 的各種數據傳輸方法，并加深對其性能水平的理解。
無連接數據傳輸，也稱為廣播，是指針對廣大受眾而不是特定接收者或一組接收者的數據傳輸，這就像附近任何人都可以聽到的公共廣播，而不是私人對話。這些類型的傳輸的特點是能夠同時到達多個接收者，通常稱為多播傳輸。
BLE 提供兩種主要的無連接數據傳輸機制：
傳統廣播（Legacy advertising）
一次最多可以廣播31字節的數據。
通過增加31字節的掃描響應包，可以稍微增加數據容量。
顧名思義，Legacy advertising是兩種模式中較舊的一種。
擴展廣播（Extended advertising）
將廣播數據限制從 31 字節增加到 254字節。
對于更大量的數據需求，它支持最多可處理 1650 字節數據的廣告鏈。這種擴展的容量允許廣播更豐富的信息，從而有利于信標部署等應用程序和增強基于位置的服務。
無連接數據傳輸模式具有以下優點：
多播傳輸 這使得一對多通信成為可能，其中單個設備可以同時向多個接收者廣播信息。它在需要同時更新各種設備的應用程序中特別有用，例如零售廣告中的信標。
效率 無需建立和維護單獨的連接，無連接模式通常在速度和資源利用率方面更加高效。由于不涉及握手或連接維護，因此可以更快地使用更少的資源發送數據，從而實現更平穩的操作并可能降低功耗。
現在我們已經了解了廣播的優點，現在是時候檢查其缺點以及如何減輕它們了：
安全問題
缺點：無連接傳輸傳統上缺乏鏈路層加密。廣告數據以明文形式發送，任何有權訪問的人都可以讀取。
緩解措施：藍牙 LE 5.4 引入了加密廣告，可增強安全性并允許使用 BLE 音頻等特定配置文件進行安全廣播。
缺乏傳輸控制
缺點：在無連接數據傳輸中，廣播者和觀察者設備不協商傳輸參數，例如信道、定時或序列。廣播公司在主要頻道上重復傳輸，要求觀察者設備連續掃描這些頻道（37、38、39）。這個過程，尤其是傳統廣告，會很快耗盡掃描儀的電池。
緩解措施：通過Extended advertising，此問題不會那么嚴重。
功耗和設計考慮因素
缺點：廣播和掃描間隔（即設備在再次廣告或掃描之前休眠的時間段）會顯著影響功耗。設置這些值時必須小心。
緩解措施：設計人員通常采用不對稱方法：電池受限的設備廣播頻率較低，而電池容量較大的設備掃描頻率較高。這種設計選擇既保證了用戶的便利性，又不會過度消耗電池資源。
渠道擁堵
缺點：在傳統廣播中，數據直接在主要廣播渠道上發送。如果每個廣播事件最多發送 3 次廣播數據包，則可能會發生擁塞，尤其是對于較長的數據包。這在密集的物聯網環境中是有問題的。
緩解措施：擴展廣播通過僅在主要通道上傳輸標頭，并在 37 個輔助通道之一上發送實際數據來緩解這一問題。
在無連接通信中，設備將消息發送到露天，希望它們能夠被預期的接收者接收到。面向連接的數據傳輸代表了 BLE 設備更結構化的通信方式。圖 1 直觀地展示了這一過程。
圖 1.面向連接的數據傳輸過程。圖片由 Nthatisi Hlapisi 提供
在面向連接模式下，數據傳輸分為四個步驟：
1.設備發現。 外圍設備通過定期廣播可連接的廣播數據包來啟動該過程。這些數據包攜帶關鍵信息，例如設備名稱、提供的服務以及外圍設備無線電支持的藍牙類型。這些信息有助于中央設備在掃描過程中快速識別和評估外圍設備。
2.建立連接。 當 Central 發現它想要連接的 Peripheral 時，它會發送連接請求。該請求包括連接參數，例如連接間隔（數據傳輸事件之間的時間）、從機延遲（外設可以跳過的連接事件數）和監控超時（如果沒有通信，則連接被斷開的時間） 。然后外設可以接受或拒絕該請求。如果接受，則使用協商的參數建立連接。
3.數據傳輸。 連接后，設備可以通過已建立的鏈路發送數據。與無連接模式中的隨機信道使用不同，面向連接模式使用指定信道來提高可靠性和效率。
4.致謝和控制。 當數據傳輸時，每個數據包都會被接收器確認。如果數據包未能到達目的地，發送者就會知道要重新發送它。此外，可以在設備之間交換控制消息以管理連接參數，確保鏈路保持穩定和有效。
該模式下傳輸的數據包的所有連接參數如圖2所示。
可靠性 每一條發送的數據都會被確認。如果數據包未通過，則會再次發送，以確保完整的數據從一個設備發送到另一臺設備。
高帶寬 專用數據通道增加了可用帶寬，從而提高了數據吞吐量。
增強安全性 該模式支持鏈路層加密，確保數據在傳輸過程中保密。
分割和重組 在傳輸過程中，數據被分割（或“分段”）成更小的塊進行傳輸。收到后，這些部件會重新連接在一起（或“重新組裝”）。這確保了即使是大量應用程序數據也能高效傳輸。
Overhead 面向連接的模式涉及一系列握手和確認。這可能會帶來開銷，從而降低非常小的數據傳輸效率。
功耗較高 持續的確認系統和連接維護可能會導致功耗增加。
可擴展性問題 管理多個同時連接可能變得具有挑戰性，特別是在密集連接的環境中。
藍牙 5的發布為物聯網工程師帶來了新功能，包括上面討論的擴展廣告模式。但最新的一定是最好的嗎？
Piergiuseppe Di Marco 領導的研究團隊測試了新舊 BLE 數據傳輸模式，看看哪些功能在不同場景下效果最好。
圖 3.模擬 BLE 智能家居。圖片由IEEE提供
研究人員模擬了一個典型的單戶智能家居，尺寸為 12 m x 10 m，配備了 77 個物聯網設備，包括窗戶傳感器、電燈開關和燈泡。此設置的核心是網關設備，它始終保持活動狀態以管理數據流。與此同時，電池供電的傳感器大多處于休眠狀態，僅在傳輸或接收數據時激活。
該研究還考慮了現實世界的問題，例如不同的信號接收：在模擬中，每面墻壁使信號強度降低 6 dB，每米信號衰減 0.5 dB。
研究團隊使用以下指標評估每種數據傳輸模式：
服務率：給定時間范圍內數據傳輸的成功率或可靠性。該指標告訴您成功傳送到預期目的地的數據百分比。它是交通損失率的補充，它告訴您沿途損失的百分比。
數據包延遲：也稱為延遲，衡量數據從源設備傳輸到目標設備所需的時間。對于需要實時或近實時數據傳輸的應用程序來說，最小化延遲對于確保流暢的用戶體驗至關重要。
電池壽命：使用特定數據傳輸模式時，設備在單次電池充電的情況下可以運行的持續時間。對于物聯網設備來說，其中許多都是由電池供電并部署在偏遠或難以到達的區域，因此最大限度地延長電池壽命至關重要。更長的電池壽命意味著更少的維護頻率和更可靠的長期運行。
服務比率：擴展廣播在較長的有效負載中表現良好，但在較短的有效負載中表現不佳。傳統廣播（舊方法）仍然是短時間突發數據的最佳選擇。面向連接的模式比使用小數據包的擴展廣告表現更好，但在處理大流量時表現不佳。
數據包延遲：在這里，傳統廣播是明星：它的延遲最短，尤其是對于短數據包。總的來說，延伸廣告的表現較差。面向連接的模式是所有模式中最慢的，難以應對重新傳輸和超時問題。
電池壽命：如果您希望電池持久耐用，并在所有情況下都優于其他電池，那么延長廣播時間證明了自己的最佳選擇。傳統廣播效果很好，但僅限于短數據包，而面向連接的模式效率最低。
最終，選擇數據傳輸模式就是使用正確的工具來完成工作。面向連接的模式是可靠的，并且擴展的廣播提供了出色的電池壽命和對更長有效負載的適應性，但是，如上所述，在某些情況下，傳統廣播仍然優于較新的替代方案。每種模式都有自己的優點和缺點，物聯網工程師應該根據每個項目做出決定。
本文由EETOP編譯自：allaboutcircuits
