藍牙5.2新特性及低功耗藍牙音頻（LE Audio）解讀

2020年1月6日 藍牙特別興趣小組（SIG）宣布了新的藍牙核心規范CoreSpec5.2，其中最引人注目的是下一代藍牙音頻LE Audio的頒布。LE Audio不僅支持連接狀態及廣播狀態下的立體聲，還將通過一系列的規格調整增強藍牙音頻性能，包括縮小延遲，通過LC3編解碼增強音質等。在通過LE實現短距離萬物互聯后，加上LE Audio，這將使得藍牙在物聯網時代獲得徹底新生和騰飛。

這次Core Spec5.2的更新主要體現在3個方面，我們將一一解讀，同時我們將著重談談LE Audio。

一、Enhanced ATT

便于理解，我們先把藍牙協議棧的結構展示一下。

藍牙協議棧大的劃分為三層，最上層屬于應用層面包括SIG定義的各種profile(在profile上面是用戶的個性化的應用)；中間Host層為主機層，也可以簡單理解為服務層的協議，他定義了藍牙服務的流程（GATT），不同服務的屬性（ATT），以及對服務的控制（L2CAP）；下層是連接層，是同無線通信相關的底層鏈路（LINK）及物理層（PHY）。

ATT層主要是定義了不同服務的屬性參數，用來作為主從設備間的信息交換和協商。而L2CAP則對上層數據進行拆分，組裝，或流控以匹配底層（Controller）的能力。

MTU（Maximum Transmission Unit）是不同層協議的最大數據處理能力，決定了不同層次協議處理最大PDU/SDU的尺寸。在ATT中定義了某種服務的ATT_MTU，那么L2CAP在處理上下層的數據時需要根據上下層協議間不同的MTU或自己的MTU將數據進行分割或組合，來適配整體數據通路的PDU/SDU。

LE5.1及之前的版本中關于MTU有兩個特點，一是ATT與L2CAP之間關于MTU的定義是固定的，也就是說某種業務的MTU一旦建立連接后，便不可以更改，且二者之間是一一對應的；二是數據的處理是順序的，不同業務MTU必須在上一個完整的PDU/SDU完成之后才能執行。如上圖左。

而對于LE5.2的EATT，MTU在ATT和L2CAP之間不再一一對應，可以互相獨立配置。由此也帶來兩個特點，一是ATT和L2CAP之間的MTU和PDU大小是動態可配置（MTU可變大）；二是不同業務之間的PDU可以交叉處理，減小了數據延遲。如上圖右。

EATT相比較舊的ATT有如下影響：

一些新的PDU只能在EATT承載上使用
某些ATT PDU可用于ATT承載，但不能用于EATT
一些PDU的定義或流程被重新細化或優化
EATT只能通過加密連接使用，而ATT繼續允許通過未加密和加密的連接。

二、LE Power Control

根據藍牙CoreSpec以及接受靈敏度的定義，當接收錯誤BER超過0.1%的時候，連接便被認為是質量不太好的連接。

對接收器而言，只有信號強度落在一定的不太強也不太弱的區域，他的性能才能達到最佳狀態。比如不會因為信號太強而飽和，也不會因為信號太弱而產生解碼錯誤。

CoreSpec5.2規定了對于發射功率的動態管理。通過對接受信號強度指標RSSI的監控，來通知發射方增加或減少發射功率。這對于在使用時設備之間的距離經常處于變化中的應用來說比較節省功耗，從而達到剛剛好的功耗滿足剛剛好的應用。

相應的，Link增加了相應的控制PDU，HCI上也增加了相應的接口來滿足功率控制的新特性。

三、LE Audio

CoreSpec5.1定義的LE有如下一些對比特性：

支持4種物理層，包括1M，2M，CodedS2，CodedS8等。
只支持異步傳輸通道ACL（asynchronous connection logical transport），無論控制數據或者用戶數據。

1）LE Isochronous Channels

簡單的說，LE同步通道定義了一個有時間依賴的數據的傳輸通道和傳輸策略。首先是一個對于多接收方同步獲取數據的機制；其次是定義了發送方在允許的時間外丟棄數據，從而保證接收方收取的數據滿足時效要求。

該同步通道同時支持連接模式和非連接模式。一對一連接模式采用LE-CIS (LE Connected Isochronous Stream)邏輯傳輸通道，清除機制將延遲數據flush掉。不同的LE-CIS組成CIG（Connected Isochronous Groups），同一個CIG內的CIS具有相同的時間戳，以保證同一個group內的數據是同步的，最明顯的應用是耳機，左耳和右耳分別是一個CIS，他們組成一個CIG的話，相互之間的時間是同步的。

對于Interval和event，與LE5.1的概念沒有區別，但以1.25ms的倍數定義在5ms到4s之間。主從之間的數據交換過程也沒有區別。

對于廣播模式，稱作是BIS（Broadcast Isochronous Stream），多個BIS可以組成一個BIG。廣播模式的同步是通過一個周期廣播的PDU實現的，該PDU包含有針對每個BIS的時間戳，一旦同步，接收方便可以稱為同步接收者。同樣的例子，如果對于一個手機播放著，一群人中的每個人的左右耳也必須接收同步的數據流，那么左右耳的數據就必須屬于同一個BIG。

連接和廣播模式下，ISO的異同點大致總結為：

每個BIG或CIG最多包含31個BIS或CIS
BIS中從設備對主設備有信息反饋，而BIS情況下則沒有
BIS的重傳是通過接收方反饋的信息決定，而CIS的重傳是強制的
CIG中CIS的同步是通過CIG的事件以及CIS的時間參數取得，而BIG中BIS的同步是通過周期廣播的同步PDU實現。
同時支持4種物理層
相比于經典藍牙的音頻解決方案，通過A2DP Profile去解決現有的音頻應用，LE Audio提供了更為廣泛的應用場景。
其他的，為了支持ISO新通道，LINK層也添加了Isochronous Adaptation Layer (ISOAL)層，為的是適配HOST與LINK層對于CIS或BIS大小的不同；新的Security模式3也引入，為了在BIS的情況下也能夠使用加密數據；自然的，一些GAP，HCI新接口也會同時引入。

2）LE Isochronous Channels

LE在數據流層面定義了新音頻的傳輸機制，在音質處理上面，聯盟也將引入新的音頻編解碼LC3以取代曾經廣泛使用在經典藍牙音頻的SBC及mSBC。

低復雜性通信編解碼器LC3 (Low Complexity Communications Codec)，采樣率：8、16、24、32、44.1、48kHz，比特率：16-320kbps ，幀速率：7.5、10ms。LC3即使在低數據速率下也能提供高質量，使他們能夠在音頻質量和功耗等關鍵產品屬性之間進行更好的設計折中。“LC3將比Classic Audio隨附的SBC編解碼器提高音頻質量，即使比特率降低50％也是如此”。

據悉，LC3編解碼標準將會在2020年中發布。附圖為網傳的LC3特性。

四、展望

相比較低功耗藍牙LE產品，雖然預期在2023年LE的出貨量將是LE Audio的2到3倍，但音頻依然是藍牙應用中最大的單品市場，參見下圖藍牙官方數據（單位：10億，不包括手機，電腦，平板等）。

藍牙組織提供的關于LE Audio的應用場景非常具有典型性，LE Audio除了提供更為高質量的音質效果，通過重新定義的ISO通道提供了連接和廣播等不同方式的音頻傳輸機制，創造了更可觀的場景。

LE Audio是未來藍牙音頻的新基石，在手機必定取消任何物理接口的不遠將來，藍牙耳機，音箱，以及諸多音頻場景將是LE Audio的巨大舞臺。