【技术专栏】蓝牙核心规范6.0新特性概述

蓝牙技术联盟（Bluetooth SIG）最近推出了蓝牙核心规范6.0版本，相较于之前的版本，这一最新规范引入了多项新特性。这些新特性专注于提升蓝牙设备之间的交互体验、定位的精确度、数据传输的效率以及能耗管理等。新增特性如下：

• 信道探测（Channel Sounding）

• 链路层功能集扩展（LL Extended Feature Set）

• 基于决策的广播过滤（Decision-Based Advertising Filtering）

• ISOAL增强功能（Enhancements for ISOAL）

• 监测广播设备（Monitoring Advertisers）

• 帧间隔更新（Frame Space Update）

一、信道探测（ChannelSounding）

随着物联网，智能家居，汽车数字钥匙等领域的快速发展，对蓝牙设备间的高精度定位需求日益增加。传统的蓝牙RSSI（接收信号强度指示）和AoA/AoD（到达角/离开角）定位技术只能提供粗略的距离信息，易受环境干扰和安全性不高等问题。鉴于以上需求及现有技术的缺点，蓝牙技术联盟推出了蓝牙信道探测技术（Channel Sounding）。

Channel Sounding包含了两种不同的距离测量方法：

• 相位测距（PBR）：利用无线电信号的相位特性，通过测量不同频率信号的相位变化来估算距离。

• 往返时间（RTT）：通过测量信号在两个设备间往返的时间来计算飞行时间（ToF），从而估算距离。

Channel Sounding的优势：

• 高精度：相较于RSSI技术，Channel Sounding技术的定位精度可达到厘米级，满足更多高精度定位需求。

• 抗干扰能力强：通过相位测量和RTT测量相结合的方式，提高了测距的抗干扰能力。

• 安全性高：集成了多种安全机制，有效防止距离欺骗等攻击。

Channel Sounding应用场景：

• 汽车数字钥匙：提供更安全、便捷的汽车无钥匙进入和启动体验。

• 智能家居：实现智能家居设备间的精确位置感知和自动化控制。

• 物联网设备：提升物联网设备的定位精度和安全性。

二、链路层功能集扩展（LLExtendedFeatureSet）

蓝牙低功耗（BLE）链路层（Link Layer）是BLE协议栈的重要组成部分，定义了许多功能，也被称为特性（Feature）。对一个特性的支持通常是可选的，在使用一个Feature之前，需要知道对方是否支持该Feature。蓝牙核心规范6.0之前，这些Feature通过64 bits（8字节）的特征集（FeatureSet）来标识，且可以通过Feature交互流程(LL_FEATURE_REQ/LL_PERIPHERAL_FEATURE_REQ/LL_FEATURE_RSP)来交互双方支持的Feature。

如下图所示，在蓝牙核心规范6.0之前，只有bit 63还未分配。然而，随着BLE技术的不断发展和功能多样化，64 bits已经不能满足需求。

蓝牙核心规范6.0将特征集（FeatureSet）的大小扩展至1984 bits，以支持未来蓝牙技术的发展。核心规范6.0将bit 63定义为 LL Extended Feature Set，如下图所示：

Central和Peripheral使用LL_FEATURE_REQ/LL_PERIPHERAL_FEATURE_REQ/LL_FEATURE_RSP交互双方支持Feature的时候，如果发现bit 63 (LL Extended Feature Set)为1，那就使用LL_FEATURE_EXT_REQ/LL_FEATURE_EXT_RSP继续交互其他支持的Feature。

三、基于决策的广播过滤（Decision-BasedAdvertisingFiltering）

我们知道 Extended Advertising首先在Primary Channel(37/38/39)上传输ADV_EXT_IND PDU，该PDU不包含应用层数据。在某些情况下，扫描设备必须根据AuxPtr，在Secondary Channel上接收关联的AUX_ADV_IND PDU，并检查AdvData有效载荷字段的内容，然后才能确定对广播的数据是否有兴趣。为此，它必须停止在Primary Channel上的扫描，并切换到在AuxPtr字段中指示的Secondary Channel上进行扫描。可能很多时候会发现对广播数据并没有兴趣。这就会出现一个问题，扫描设备根据AuxPtr在Secondary Channel上扫描期间，它不再在Primary Channel上扫描，因此可能会错过相关的数据包。这种情况：根据AuxPtr扫描并接收没有兴趣的数据包，被称为“干扰”，干扰降低了扫描设备的工作效率。虽然可以使用ADI字段来避免重复PDU的扫描接收，但是对于一些场景，这是不够的。

蓝牙核心规范6.0使用了一种新类型的扩展广播ADV_DECISION_IND。Decision-Based Advertising Filtering就是：允许扫描设备通过Primary Channel扫描到的ADV_DECISION_IND PDU内容来决定是否在AuxPtr指定的Secondary Channel上扫描相关数据包。如果Primary Channel扫描到的ADV_DECISION_IND PDU不是扫描设备需要的，那么就不需要再去扫描对应的Secondary Channel，以此来解决“干扰”问题。

四、ISOAL增强功能（EnhancementsforISOAL）

传统上，ISOAL的作用是将较大的服务数据单元（SDU）能够分割为较小的链路层协议数据单元（PDU）进行传输，同时保证接收端能够准确无误地重构原始数据。整个过程如下图所示：

然而，Segmentation/Reassembly这一过程中存在两个问题：

• 首先是可靠性问题。在无线通信环境中，都有一定的丢包概率。当SDU被分割成多个PDU进行传输时，任何一个PDU的丢失都可能导致整个SDU的完整性受损，从而增加了数据传输失败的风险。

• 其次是延迟问题。分段传输机制要求接收端的上层协议必须等待SDU的所有分段全部到达后才能开始处理，这在实时性要求较高的应用场景（如音频传输）中尤为不利，因为等待时间直接转化为音频的延迟，影响用户体验。

为了解决这些问题，蓝牙核心规范6.0引入了ISOAL Unsegmented模式，这种模式不使用分段传输方式。在Unsegmented模式下，每个来自上层的SDU都被直接封装进一个PDU中进行传输，实现了上层SDU与链路层PDU之间的一对一映射。这种方式不仅降低了SDU因分段而整体丢失的风险，还消除了因等待分段重组而产生的延迟，为需要高可靠性和低延迟的数据传输场景（如音频）提供了有力的支持。

五、监测广播设备（MonitoringAdvertisers）

蓝牙规范一直有一个策略Filter_Duplicates：Observer Host可以指示BLE Controller过滤重复的广播数据包，对于重复的广播包只上报一次，以提升处理效率。

但Filter_Duplicates也带来了一个问题：在Observer Host尝试连接Advertiser时，无法确认目标设备是否仍处于射频（RF）有效范围内，Observer Host执行扫描操作，这一过程能耗较高，尤其是对于不在通信范围内的设备扫描，更是无谓的能量消耗。

针对这个问题，蓝牙核心规范6.0采用了Monitoring Advertisers机制。简单来说就是：每当Observer Host所关注的设备进入或离开其RF有效覆盖区域时，BLE Controller能够即时通过HCI事件LE Monitored Advertisers Report event向Host发送通知。

Monitoring Advertisers机制不仅确保了Host能够实时掌握设备的存在状态，还极大地减少了不必要的扫描操作，从而降低Observer设备的功耗。

六、帧间隔更新（FrameSpaceUpdate）

T_MSS（Minimum Subevent Space）表示：一个Subevent中的最后一个数据包的最后一个bit结束 到 下一个Subevent中的第一个数据包的第一个bit开始之间的最小间隔时间称为Minimum Subevent Space。Minimum Subevent Space称之为“T_MSS”，值为150us。

蓝牙核心规范6.0之前 ACL和CIS对应的Frame Space如下图所示:

蓝牙核心规范6.0对Frame Space进行了以下更改：

• ACL和CIS的T_IFS/T_MSS不再固定为150µs。

• T_IFS/T_MSS默认值仍为150µs。建立连接后，可由Central和Peripheral进行协商。

• 协商的T_IFS/T_MSS范围为0~10000us，允许的误差仍然是±2us。

• 不同的LE PHY（1M、2M和coded）可以使用不同的T_IFS/T_MSS。

注：蓝牙核心规范6.0对Space Frame的更改，仅作用于ACL和CIS的T_IFS/T_MSS。

蓝牙核心规范6.0更新后的ACL和CIS Frame Space如下图所示：

Frame Space Update意义

• 缩短T_IFS（帧间间隔）加速了数据传输，从而提升了连接设备间的整体吞吐效率，这对于追求极致响应速度的高性能应用，如游戏手柄等，具有明显的优化效果，确保了更快的反应时间、更加流畅的操作。

• 在LE Audio应用中，缩短T_IFS的作用尤为突出。它不仅加快了音频数据包的传输速度，有效降低了音频延迟，并且数据传输时间的减少使得无线干扰碰撞风险降低，进一步保障了音频的稳定性。此外，带宽的增加可以执行更多次的有效重传，从而显著增强了音频的传输质量和用户体验。

• 相比之下，对于处理能力相对有限的芯片而言，延长T_IFS则是一种比较好的方案。较长的T_IFS为这些芯片提供了更为充裕的时间来处理接收到的数据包。

七、结语

泰凌凭借在蓝牙技术领域的深厚积累和丰富经验，一直致力于为客户提供多样化的高性能芯片，以满足不同场景的应用需求。如：TLSR922X 和 TL721X 系列SoC芯片，它们与蓝牙信道探测技术完美融合，为高精度定位提供了强有力的支持。此外，TLSR951X、TLSR952X 等系列音频SoC芯片，均支持经典蓝牙及最新的低功耗音频(LE Audio)标准，为音频体验带来革新。面对快速增长的物联网市场，TLSR825X、TLSR827X 和 TL921X 等系列SoC芯片以其低功耗和高集成度等优势，成为构建各类物联网设备的优选方案。

值得一提的是，随着蓝牙核心规范6.0的发布，诸多创新特性与功能增强将进一步拓展蓝牙技术的应用边界，而这些新特性将在泰凌即将发布的蓝牙低功耗 SDK中得到全面支持。泰凌始终以客户需求为导向，不断推进技术迭代，致力于让客户在蓝牙6.0时代把握每一个机遇，实现业务的持续增长。