蓝牙低功耗数据传输模式比较

物联网（IoT）设备可能比智能手机更常见，而且其中许多设备都运行蓝牙低功耗（BLE）技术。本文将介绍并比较低功耗蓝牙（BLE）的传统数据广播（Advertising）、扩展数据广播和面向连接的数据传输模式。在本文中，我们将熟悉 BLE 的各种数据传输方法，并加深对其性能水平的理解。

1、无连接数据传输

无连接数据传输，也称为广播，是指针对广大受众而不是特定接收者或一组接收者的数据传输，这就像附近任何人都可以听到的公共广播，而不是私人对话。 这些类型的传输的特点是能够同时到达多个接收器，通常称为多播传输。

BLE 提供两种主要的无连接数据传输机制：

• 传统数据广播（Legacy advertising）

  • 一次最多可以广播31字节的数据。
  • 通过增加31字节的扫描响应包，可以稍微增加数据容量。
  • 顾名思义，传统数据广播是两种模式中较旧的一种。

• 扩展数据广播（Extended advertising）

  • 将广播数据限制从 31 字节增加到 254 字节。
  • 对于更大量的数据需求，它支持最多可处理 1650 字节数据的广播链。这种扩展的容量允许广播更丰富的信息，从而有利于信标部署等应用程序和增强基于位置的服务。

2、无连接数据传输的优点

无连接数据传输模式具有以下优点：

• 多播传输。 这使得一对多通信成为可能，其中单个设备可以同时向多个接收者广播信息。 它在需要同时更新各种设备的应用程序中特别有用，例如零售广播信息中的信标。

• 高效率。 无需建立和维护单独的连接，无连接模式通常在速度和资源利用率方面都更加高效。 由于不涉及握手或连接维护，因此可以更快地使用更少的资源发送数据，从而实现更平稳的操作并可能降低功耗。

  3、无连接数据传输的局限性

现在我们已经了解了广播的优点，现在是时候检查其缺点以及如何减轻它们了：

• 安全问题
  • 缺点：无连接传输传统上缺乏链路层加密。 广播数据以明文形式发送，任何有权访问的人都可以读取。
  • 缓解措施：蓝牙 LE 5.4 引入了加密广播，可增强安全性并允许使用 BLE 音频等特定配置文件进行安全广播。
• 缺乏传输控制
  • 缺点：在无连接数据传输中，广播器和观察者设备不协商传输参数，例如信道、定时或序列。 广播端在主要频道上重复传输，要求观察者设备连续扫描这些频道（37、38、39）。 这个过程，尤其是传统广播，会很快耗尽扫描仪的电池。
  • 缓解措施：通过扩展广播，此问题不会那么严重。
• 功耗和设计考虑因素
  • 缺点：广播和扫描间隔（即设备在再次广播或扫描之前休眠的时间段）会显着影响功耗。 设置这些值时必须小心。
    缓解措施：设计人员通常采用不对称方法：电池受限的设备广播频率较低，而电池容量较大的设备扫描频率较高。 这种设计选择既保证了用户的便利性，又不会过度消耗电池资源。
• 通道拥塞
  • 缺点：在传统广播中，数据直接在主要广播通道上发送。 如果每个广播事件最多发送 3 次广播数据包，则可能会发生拥塞，尤其是对于较长的数据包。 这在密集的物联网环境中是有问题的。
  • 缓解措施：扩展广播通过仅在主要通道上传输标头，并在 37 个辅助通道之一上发送实际数据来缓解这一问题。

3、面向连接的数据传输

在无连接通信中，设备将消息发送到露天，希望它们能够被预期的接收者接收到。 面向连接的数据传输代表了 BLE 设备更结构化的通信方式。 图 1 直观地展示了这一过程。

图1. 面向连接的数据传输过程。

在面向连接模式下，数据传输分为四个步骤：

• 1. 设备发现。 外围设备通过定期广播可连接的广播数据包来启动该过程。 这些数据包携带关键信息，例如设备名称、提供的服务以及外设无线电支持的蓝牙类型。 这些信息有助于中央设备在扫描过程中快速识别和评估外围设备。
• 2. 建立连接。 当 Central 发现它想要连接的 Peripheral 时，它会发送连接请求。 该请求包括连接参数，例如连接间隔（数据传输事件之间的时间）、从机延迟（外设可以跳过的连接事件数）和监控超时（如果没有通信，连接将被丢弃的时间） 。 然后外设可以接受或拒绝该请求。 如果接受，则使用协商的参数建立连接。
• 3. 数据传输。 连接后，设备可以通过已建立的链路发送数据。 与无连接模式中的随机信道使用不同，面向连接模式使用指定信道来提高可靠性和效率。
• 4. 确认和控制。 当数据传输时，每个数据包都会被接收器确认。 如果数据包未能到达目的地，发送者就会知道要重新发送它。 此外，可以在设备之间交换控制消息以管理连接参数，确保链路保持稳定和有效。

该模式下传输的数据包的所有连接参数如图2所示：

图 2. 面向连接的数据传输模式中数据包的传输和确认。 图片来自[MDPI](https://www.mdpi.com/1424-8220/17/12/2898)

4、面向连接模式的优点

面向连接模式的优点如下：

• 可靠性。 每一条发送的数据都会被确认。 如果数据包未通过，则会再次发送，以确保完整的数据从一个设备发送到另一台设备。
• 高带宽。 专用数据通道增加了可用带宽，从而提高了数据吞吐量。
• 增强安全性。 该模式支持链路层加密，确保数据在传输过程中保密。
• 分割和重组。 在传输过程中，数据被分割（或“分段”）成更小的块进行传输。 收到后，这些部件会重新连接在一起（或“重新组装”）。 这确保了即使是大量应用程序数据也能高效传输。

5、面向连接模式的局限性

• 开销。 面向连接的模式涉及一系列握手和确认。 这可能会带来开销，从而降低非常小的数据传输效率。
• 功耗较高。 持续的确认系统和连接维护可能会导致功耗增加。
• 可扩展性问题。 管理多个同时连接可能变得具有挑战性，特别是在密集连接的环境中。

6、家庭自动化项目的性能观察

蓝牙 5 的发布为物联网工程师带来了新功能，包括上面讨论的扩展广播模式。 但最新的一定是最好的吗？

Piergiuseppe Di Marco 领导的研究团队测试了新旧 BLE 数据传输模式，看看哪些功能在不同场景下效果最好。

图 3. 模拟 BLE 智能家居。 图片来自[IEEE](https://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/7992938)

模拟场景

研究人员模拟了一个典型的单户智能家居，尺寸为 12 m x 10 m，配备了 77 个物联网设备，包括窗户传感器、电灯开关和灯泡。 此设置的核心是网关设备，它始终保持活动状态以管理数据流。 与此同时，电池供电的传感器大多处于休眠状态，仅在传输或接收数据时激活。

该研究还考虑了现实世界的问题，例如不同的信号接收：在模拟中，每面墙壁使信号强度降低 6 dB，每米信号衰减 0.5 dB。

性能指标

研究团队使用以下指标评估每种数据传输模式：

• 服务率：给定时间范围内数据传输的成功率或可靠性。 该指标告诉您成功传送到预期目的地的数据百分比。 它是交通损失率的补充，它告诉您沿途损失的百分比。
• 数据包延迟：也称为延迟，衡量数据从源设备传输到目标设备所需的时间。 对于需要实时或近实时数据传输的应用程序，最小化延迟对于确保流畅的用户体验至关重要。
• 电池寿命：使用特定数据传输模式时，设备在单次电池充电的情况下可以运行的持续时间。 对于物联网设备来说，其中许多都是由电池供电并部署在偏远或难以到达的区域，因此最大限度地延长电池寿命至关重要。 更长的电池寿命意味着更少的维护频率和更可靠的长期运行。

结果简而言之

• 服务比率：扩展广播在较长的有效负载中表现良好，但在较短的有效负载中表现不佳。 传统广播（旧方法）仍然是短时间突发数据的最佳选择。 面向连接的模式比使用小数据包的扩展广播表现更好，但在处理大流量时表现不佳。
• 数据包延迟：在这里，传统广播是明星：它的延迟最短，尤其是对于短数据包。 总的来说，延伸广播的表现较差。 面向连接的模式是所有模式中最慢的，难以应对重新传输和超时问题。
• 电池寿命：如果您希望电池持久耐用，并在所有情况下都优于其他电池，那么延长广播时间证明了自己的最佳选择。 传统广播效果很好，但仅限于短数据包，而面向连接的模式效率最低。

哪种模式最好？

最终，选择数据传输模式就是使用正确的工具来完成工作。 面向连接的模式是可靠的，并且扩展的广播提供了出色的电池寿命和对更长有效负载的适应性，但是，如上所述，在某些情况下，传统广播仍然优于较新的替代方案。 每种模式都有自己的优点和缺点，物联网工程师应该根据每个项目做出决定。