蓝牙5.2新特性及低功耗蓝牙音频(LE Audio)解读

2020年1月6日蓝牙特别兴趣小组(SIG)宣布了新的蓝牙核心规范CoreSpec5.2,其中最引人注目的是下一代蓝牙音频LE Audio的颁布。LE Audio不仅支持连接状态及广播状态下的立体声,还将通过一系列的规格调整增强蓝牙音频性能,包括缩小延迟,通过LC3编解码增强音质等。在通过LE实现短距离万物互联后,加上LE Audio,这将使得蓝牙在物联网时代获得彻底新生和腾飞。

这次Core Spec5.2的更新主要体现在3个方面,我们将一一解读,同时我们将着重谈谈LE Audio。

一,Enhanced ATT

便于理解,我们先把蓝牙协议栈的结构展示一下。 

蓝牙协议栈大的划分为三层,最上层属于应用层面包括SIG定义的各种Profile(在profile上面是用户的个性化的应用);中间Host层为主机层,也可以简单理解为服务层的协议,他定义了蓝牙服务的流程(GATT),不同服务的属性(ATT),以及对服务的控制(L2CAP);下层是连接层,是同无线通信相关的底层链路(LINK)及物理层(PHY)。

ATT层主要是定义了不同服务的属性参数,用来作为主从设备间的信息交换和协商。而L2CAP则对上层数据进行拆分,组装,或流控以匹配底层(Controller)的能力。

MTU(Maximum Transmission Unit)是不同层协议的最大数据处理能力,决定了不同层次协议处理最大PDU/SDU的尺寸。在ATT中定义了某种服务的ATT_MTU,那么L2CAP在处理上下层的数据时需要根据上下层协议间不同的MTU或自己的MTU将数据进行分割或组合,来适配整体数据通路的PDU/SDU。

LE5.1及之前的版本中关于MTU有两个特点,一是ATT与L2CAP之间关于MTU的定义是固定的,也就是说某种业务的MTU一旦建立连接后,便不可以更改,且二者之间是一一对应的;二是数据的处理是顺序的,不同业务MTU必须在上一个完整的PDU/SDU完成之后才能执行。如上图左。

而对于LE5.2的EATT,MTU在ATT和L2CAP之间不再一一对应,可以互相独立配置。由此也带来两个特点,一是ATT和L2CAP之间的MTU和PDU大小是动态可配置(MTU可变大);二是不同业务之间的PDU可以交叉处理,减小了数据延迟。如上图右。

EATT相比较旧的ATT有如下影响:

  1. 一些新的PDU只能在EATT承载上使用
  2. 某些ATT PDU可用于ATT承载,但不能用于EATT
  3. 一些PDU的定义或流程被重新细化或优化
  4. EATT只能通过加密连接使用,而ATT继续允许通过未加密和加密的连接。

二,LE Power Control

根据蓝牙CoreSpec以及接受灵敏度的定义,当接收错误BER超过0.1%的时候,连接便被认为是质量不太好的连接。

对接收器而言,只有信号强度落在一定的不太强也不太弱的区域,他的性能才能达到最佳状态。比如不会因为信号太强而饱和,也不会因为信号太弱而产生解码错误。

CoreSpec5.2规定了对于发射功率的动态管理。通过对接受信号强度指标RSSI的监控,来通知发射方增加或减少发射功率。这对于在使用时设备之间的距离经常处于变化中的应用来说比较节省功耗,从而达到刚刚好的功耗满足刚刚好的应用。

相应的,Link增加了相应的控制PDU,HCI上也增加了相应的接口来满足功率控制的新特性。

三,LE Audio

CoreSpec5.1定义的LE有如下一些对比特性:

  1. 支持4种物理层,包括1M,2M,CodedS2,CodedS8等。
  2. 只支持异步传输通道ACL(asynchronousconnection logical transport),无论控制数据或者用户数据。

(一)  LE Isochronous Channels

简单的说,LE同步通道定义了一个有时间依赖的数据的传输通道和传输策略。首先是一个对于多接收方同步获取数据的机制;其次是定义了发送方在允许的时间外丢弃数据,从而保证接收方收取的数据满足时效要求。

该同步通道同时支持连接模式和非连接模式。一对一连接模式采用LE-CIS (LE Connected Isochronous Stream)逻辑传输通道,清除机制将延迟数据flush掉。不同的LE-CIS组成CIG(ConnectedIsochronous Groups),同一个CIG内的CIS具有相同的时间戳,以保证同一个group内的数据是同步的,最明显的应用是耳机,左耳和右耳分别是一个CIS,他们组成一个CIG的话,相互之间的时间是同步的。

对于Interval和event,与LE5.1的概念没有区别,但以1.25ms的倍数定义在5ms到4s之间。主从之间的数据交换过程也没有区别。

对于广播模式,称作是BIS(BroadcastIsochronous Stream),多个BIS可以组成一个BIG。广播模式的同步是通过一个周期广播的PDU实现的,该PDU包含有针对每个BIS的时间戳,一旦同步,接收方便可以称为同步接收者。同样的例子,如果对于一个手机播放着,一群人中的每个人的左右耳也必须接收同步的数据流,那么左右耳的数据就必须属于同一个BIG。

连接和广播模式下,ISO的异同点大致总结为:

  1. 每个BIG或CIG最多包含31个BIS或CIS
  2. BIS中从设备对主设备有信息反馈,而BIS情况下则没有
  3. BIS的重传是通过接收方反馈的信息决定,而CIS的重传是强制的
  4. CIG中CIS的同步是通过CIG的事件以及CIS的时间参数取得,而BIG中BIS的同步是通过周期广播的同步PDU实现。
  5. 同时支持4种物理层
  6. 相比于经典蓝牙的音频解决方案,通过A2DP Profile去解决现有的音频应用,LE Audio提供了更为广泛的应用场景。

其他的,为了支持ISO新通道,LINK层也添加了Isochronous Adaptation Layer (ISOAL)层,为的是适配HOST与LINK层对于CIS或BIS大小的不同;新的Security模式3也引入,为了在BIS的情况下也能够使用加密数据;自然的,一些GAP,HCI新接口也会同时引入。

(二)  LC3

LE在数据流层面定义了新音频的传输机制,在音质处理上面,联盟也将引入新的音频编解码LC3以取代曾经广泛使用在经典蓝牙音频的SBC及mSBC。

低复杂性通信编解码器LC3 (Low ComplexityCommunications Codec),采样率:8、16、24、32、44.1、48kHz,比特率:16-320kbps ,帧速率:7.5、10ms。LC3即使在低数据速率下也能提供高质量,使他们能够在音频质量和功耗等关键产品属性之间进行更好的设计折中。“LC3将比Classic Audio随附的SBC编解码器提高音频质量,即使比特率降低50%也是如此”。

据悉,LC3编解码标准将会在2020年中发布。附图为网传的LC3特性。

四,展望

相比较低功耗蓝牙LE产品,虽然预期在2023年LE的出货量将是LE Audio的2到3倍,但音频依然是蓝牙应用中最大的单品市场,参见下图蓝牙官方数据(单位:10亿,不包括手机,电脑,平板等)。

蓝牙组织提供的关于LE Audio的应用场景非常具有典型性,LE Audio除了提供更为高质量的音质效果,通过重新定义的ISO通道提供了连接和广播等不同方式的音频传输机制,创造了更可观的场景。

LE Audio是未来蓝牙音频的新基石,在手机必定取消任何物理接口的不远将来,蓝牙耳机,音箱,以及诸多音频场景将是LE Audio的巨大舞台。