深入浅出蓝牙低功耗音频BLE Audio--4 ISO音频流

Posted 2023-04-04 ShareTechHome

• 蓝牙低功耗音频拓扑结构

        如果过去你的工作主要是蓝牙应用程序，那么你可能专注于配置文件，几乎没有看核心规范。 一个可能的原因是蓝牙经典音频配置文件的接口配置已经跟核心设规范绑定好了，因此没有太多需要了解配置文件下面发生的事情或其相关协议。但对于低功耗音频配置文件却不同了，你可能会改变核心规范的工作方式。

         核心规范为了支持起更灵活的应用系统，而必须允许更大程度的灵活，该应用系统不仅满足当今的音频需求，还可以满足我们甚至还没有考虑过的需求，为了实现这点，做出了一个基本的架构层面的修改—把音频流和控制流分开。这意味着定义了一套新的ISO同步物理信道传输音频流，ISO同步物理信道与BLE ACL链路分开且同时存在。核心规范中的ISO物理信道可以同时创建很多ISO音频流，这些音频流可以传输所有类型的音频，从非常低音质到难以置信的高音质类型。ISO数据流不包含控制信息，它完成只传输音频流，控制信息是被BLE ACL链路传输的。共同存在的BLE ACL信道被用来创建ISO信道，打开，关闭，添加音频和媒体控制，以及其他我们需要的所有功能等，以上这些操作都是基于使用BLE规范中标准的GATT规范来完成的。

         为了提供不同延迟，不同音频质量和不同级别稳健性的灵活性，研发人员需要能够控制这些ISO流的配置方式。这些在通用音频框架配置文件协议栈中实现的非常好。这意味着当你开发蓝牙低功耗音频应用程序时，虽然只是使用协议栈顶层的音频配置文件，但是仍需要了解很多底层ISO信道的工作机制。这与之前开发的很多蓝牙应用程序不同。为了帮助理解蓝牙低功耗音频的整体框架，我们需要底层ISO信道是如何开发的，它们实现的功能以及如何使用它们。

        目前为止，蓝牙规范主要关注点到点的连接：一个主设备与一个从设备建立一个连接，然后传输数据，这是一个非常局限的拓扑，许多公司已经开发私有的功能扩展来增加灵活性，正如所看到的真无线立体声耳机。但是ISO信道比这些私有的功能扩展能够提供更广泛的拓扑。除了让一部手机可以连接一对耳机或者一个扬声器，蓝牙低功耗还能够把左右耳已你品信号分别传给对应的左右耳机，也需要能够将相同的信息发送给一对以上的耳机，并且可以增加设备数量和音频流数量。

         存在两种ISO信道：单播模式和广播模式。单播模式连接称为可连接的ISO信道，简称CIS，与现有蓝牙音频方案交类似，某种程度上，CIS意味着两个设备之间已经建立连接来交互数据，并且使用确认机制提供设备之间流控。与CIS共存的还有一个ACL控制信道，该ACL信道在CIS整个传输音频过程中一直存在。

         用于广播模式的BIS与CIS具有相似结构，但是也有一个主要区别：数据确认机制。设备使用广播发送ISO数据流时，不知道有多少设备收到音频数据，这些设备之间没有建立连接，不需要ACL链路，简而言之，广播模式是纯粹混杂的。然而，可以添加控制链路给广播。在蓝牙核心规范级别，BIS与CIS的明显区别是他们传输数据是否被确认。但是蓝牙应用程序为了实现不同应用场景需要在广播和单播之间进行切换，这种切换对用户是无感的。

         广播模式允许多个设备像FM收音机或电视那样听取相同东西，最初电线圈助听器应用要求蓝牙低功耗音频广播能力，在公共场所佩戴助听器的人可以听到相同信号，助听器要求相对低的音频质量，广泛应用于语音。蓝牙低功耗音频拥有着高质量音频且明显的低安装成本，将来在工业界拥有更广泛的应用场景。传统场所：会议中心，剧院和礼拜场所；公共信息发布：航班公告，火车发车时间和巴士时刻表，佩戴耳机或者助听器的人们都可以听到这些信息。广播模式也适用更多私人应用场景，例如一群人收听同一个电视节目，或者互相分享手机上的音乐。最后一个例子展示了蓝牙低功耗音频应用程序如何在不可见情况下来回切换底层协议栈。如果你正在带着耳机听手机音乐时，此时底层协议栈可能使用的CIS链路。当你朋友过来问你“想不想一起听音乐？”，手机分享音乐程序会把你的手机从私有单播连接切换到加密广播模式，这样你们都可以听到相同的音乐了，这种切换场景的功能可以发生在耳塞，助听器，耳机和扬声器上。在应用程序方面，与其他人一起分享音乐应用是无缝切换的，音乐用户不必知道单播模式和多播模式，切换只发生在底层协议栈。

         在本质上讲，这些不同使用场景的构建模块都是相同的，不同点是CIS用于单播场景，BIS用于广播场景，但是BIS与CIS的基本原理是相似的。下面我们从核心规范中，学习他们是如何一起工作的。

备注：资料参考来源：

Bluetooth® Technology Website – The official website for the Bluetooth wireless technology. Get up to date specifications, news, and development info.https://www.bluetooth.com/

深入浅出低功耗蓝牙(BLE)协议栈

BLE协议栈为什么要分层？怎么理解BLE“连接”？如果BLE协议只有ATT层没有GATT层会发生什么？

协议栈框架

一般而言，我们把某个协议的实现代码称为协议栈（protocol stack），BLE协议栈就是实现低功耗蓝牙协议的代码，理解和掌握BLE协议是实现BLE协议栈的前提。在深入BLE协议栈各个组成部分之前，我们先看一下BLE协议栈整体架构。

 如上图所述，要实现一个BLE应用，首先需要一个支持BLE射频的芯片，然后还需要提供一个与此芯片配套的BLE协议栈，最后在协议栈上开发自己的应用。可以看出BLE协议栈是连接芯片和应用的桥梁，是实现整个BLE应用的关键。那BLE协议栈具体包含哪些功能呢？简单来说，BLE协议栈主要用来对你的应用数据进行层层封包，以生成一个满足BLE协议的空中数据包，也就是说，把应用数据包裹在一系列的帧头（header）和帧尾（tail）中。具体来说，BLE协议栈主要由如下几部分组成：

• PHY层（Physical layer物理层）。PHY层用来指定BLE所用的无线频段，调制解调方式和方法等。PHY层做得好不好，直接决定整个BLE芯片的功耗，灵敏度以及selectivity等射频指标。
• LL层（Link Layer链路层）。LL层是整个BLE协议栈的核心，也是BLE协议栈的难点和重点。像Nordic的BLE协议栈能同时支持20个link（连接），就是LL层的功劳。LL层要做的事情非常多，比如具体选择哪个射频通道进行通信，怎么识别空中数据包，具体在哪个时间点把数据包发送出去，怎么保证数据的完整性，ACK如何接收，如何进行重传，以及如何对链路进行管理和控制等等。LL层只负责把数据发出去或者收回来，对数据进行怎样的解析则交给上面的GAP或者GATT。
• HCI（Host controller interface）。HCI是可选的（具体请参考文章： 三种蓝牙架构实现方案（蓝牙协议栈方案）），HCI主要用于2颗芯片实现BLE协议栈的场合，用来规范两者之间的通信协议和通信命令等。
• GAP层（Generic access profile）。GAP是对LL层payload（有效数据包）如何进行解析的两种方式中的一种，而且是最简单的那一种。GAP简单的对LL payload进行一些规范和定义，因此GAP能实现的功能极其有限。GAP目前主要用来进行广播，扫描和发起连接等。
• L2CAP层（Logic link control and adaptation protocol）。L2CAP对LL进行了一次简单封装，LL只关心传输的数据本身，L2CAP就要区分是加密通道还是普通通道，同时还要对连接间隔进行管理。
• SMP（Secure manager protocol）。SMP用来管理BLE连接的加密和安全的，如何保证连接的安全性，同时不影响用户的体验，这些都是SMP要考虑的工作。
• ATT（Attribute protocol）。简单来说，ATT层用来定义用户命令及命令操作的数据，比如读取某个数据或者写某个数据。BLE协议栈中，开发者接触最多的就是ATT。BLE引入了attribute概念，用来描述一条一条的数据。Attribute除了定义数据，同时定义该数据可以使用的ATT命令，因此这一层被称为ATT层。
• GATT（Generic attribute profile ）。GATT用来规范attribute中的数据内容，并运用group（分组）的概念对attribute进行分类管理。没有GATT，BLE协议栈也能跑，但互联互通就会出问题，也正是因为有了GATT和各种各样的应用profile，BLE摆脱了ZigBee等无线协议的兼容性困境，成了出货量最大的2.4G无线通信产品。

我相信很多人看了上面的介绍，还是不懂BLE协议栈的工作原理，以及每一层具体干什么的，为什么要这么分层。下面我以如何发送一个数据包为例来讲解BLE协议栈各层是如何紧密配合，以完成发送任务的。

如何通过无线发送一个数据包

假设有设备A和设备B，设备A要把自己目前的电量状态83%（十六进制表示为0x53）发给设备B，该怎么做呢？作为一个开发者，他希望越简单越好，对他而言，他希望调用一个简单的API就能完成这件事，比如send(0x53)，实际上我们的BLE协议栈就是这样设计的，开发者只需调用send(0x53)就可以把数据发送出去了，其余的事情BLE协议栈帮你搞定。很多人会想，BLE协议栈是不是直接在物理层就把0x53发出去，就如下图所示：

 

这种方式初看起来挺美的，但由于很多细节没有考虑到，实际是不可行的。首先，它没有考虑用哪一个射频信道来进行传输，在不更改API的情况下，我们只能对协议栈进行分层，为此引入LL层，开发者还是调用send(0x53)，send(0x53)再调用send_LL(0x53,2402M)（注：2402M为信道频率）。这里还有一个问题，设备B怎么知道这个数据包是发给自己的还是其他人的，为此BLE引入access address概念，用来指明接收者身份，其中，0x8E89BED6这个access address比较特殊，它表示要发给周边所有设备，即广播。如果你要一对一的进行通信（BLE协议将其称为连接），即设备A的数据包只能设备B接收，同样设备B的数据包只能设备A接收，那么就必须生成一个独特的随机access address以标识设备A和设备B两者之间的连接。

广播方式

我们先来看一下简单的广播情况，这种情况下，我们把设备A叫advertiser（广播者），设备B叫scanner或者observer（扫描者）。广播状态下设备A的LL层API将变成send_LL(0x53,2402M, 0x8E89BED6)。由于设备B可以同时接收到很多设备的广播，因此数据包还必须包含设备A的device address（0xE1022AAB753B）以确认该广播包来自设备A，为此send_LL参数需要变成(0x53,2402M, 0x8E89BED6, 0xE1022AAB753B)。LL层还要检查数据的完整性，即数据在传输过程中有没有发生窜改，为此引入CRC24对数据包进行检验 (假设为0xB2C78E) 。同时为了调制解调电路工作更高效，每一个数据包的最前面会加上1个字节的preamble（前导帧），preamble一般为0x55或者0xAA。这样，整个空中包就变成（注：空中包用小端模式表示！）：

 

 上面这个数据包还有如下问题：

1. 没有对数据包进行分类组织，设备B无法找到自己想要的数据0x53。为此我们需要在access address之后加入两个字段：LL header和长度字节。LL header用来表示数据包的LL类型，长度字节用来指明payload的长度
2. 设备B什么时候开启射频窗口以接收空中数据包？如上图case1所示，当设备A的数据包在空中传输的时候，设备B把接收窗口关闭，此时通信将失败；同样对case2来说，当设备A没有在空中发送数据包时，设备B把接收窗口打开，此时通信也将失败。只有case3的情况，通信才能成功，即设备A的数据包在空中传输时，设备B正好打开射频接收窗口，此时通信才能成功，换句话说，LL层还必须定义通信时序。
3. 当设备B拿到数据0x53后，该如何解析这个数据呢？它到底表示湿度还是电量，还是别的意思？这个就是GAP层要做的工作，GAP层引入了LTV（Length-Type-Value）结构来定义数据，比如020105，02-长度，01-类型（强制字段，表示广播flag，广播包必须包含该字段），05-值。由于广播包最大只能为31个字节，它能定义的数据类型极其有限，像这里说的电量，GAP就没有定义，因此要通过广播方式把电量数据发出去，只能使用供应商自定义数据类型0xFF，即04FF590053，其中04表示长度，FF表示数据类型（自定义数据），0x0059是供应商ID（自定义数据中的强制字段），0x53就是我们的数据(设备双方约定0x53就是表示电量，而不是其他意思)。

最终空中传输的数据包将变成：

• AAD6BE898E600E3B75AB2A02E102010504FF5900538EC7B2
  • AA – 前导帧(preamble)
  • D6BE898E – 访问地址(access address)
  • 60 – LL帧头字段(LL header)
  • 0E – 有效数据包长度(payload length)
  • 3B75AB2A02E1 – 广播者设备地址(advertiser address)
  • 02010504FF590053 – 广播数据
  • 8EC7B2 – CRC24值

有了PHY，LL和GAP，就可以发送广播包了，但广播包携带的信息极其有限，而且还有如下几大限制：

1. 无法进行一对一双向通信 （广播是一对多通信，而且是单方向的通信）
2. 由于不支持组包和拆包，因此无法传输大数据
3. 通信不可靠及效率低下。广播信道不能太多，否则将导致扫描端效率低下。为此，BLE只使用37(2402MHz) /38(2426MHz) /39(2480MHz)三个信道进行广播和扫描，因此广播不支持跳频。由于广播是一对多的，所以广播也无法支持ACK。这些都使广播通信变得不可靠。
4. 扫描端功耗高。由于扫描端不知道设备端何时广播，也不知道设备端选用哪个频道进行广播，扫描端只能拉长扫描窗口时间，并同时对37/38/39三个通道进行扫描，这样功耗就会比较高。

而连接则可以很好解决上述问题，下面我们就来看看连接是如何将0x53发送出去的。

连接方式

到底什么叫连接(connection)？像有线UART，很容易理解，就是用线（Rx和Tx等）把设备A和设备B相连，即为连接。用“线”把两个设备相连，实际是让2个设备有共同的通信媒介，并让两者时钟同步起来。蓝牙连接有何尝不是这个道理，所谓设备A和设备B建立蓝牙连接，就是指设备A和设备B两者一对一“同步”成功，其具体包含以下几方面：

• 设备A和设备B对接下来要使用的物理信道达成一致
• 设备A和设备B双方建立一个共同的时间锚点，也就是说，把双方的时间原点变成同一个点
• 设备A和设备B两者时钟同步成功，即双方都知道对方什么时候发送数据包什么时候接收数据包
• 连接成功后，设备A和设备B通信流程如下所示：

如上图所示，一旦设备A和设备B连接成功（此种情况下，我们把设备A称为Master或者Central，把设备B称为Slave或者Peripheral），设备A将周期性以CI（connection interval）为间隔向设备B发送数据包，而设备B也周期性地以CI为间隔打开射频接收窗口以接收设备A的数据包。同时按照蓝牙spec要求，设备B收到设备A数据包150us后，设备B切换到发送状态，把自己的数据发给设备A；设备A则切换到接收状态，接收设备B发过来的数据。由此可见，连接状态下，设备A和设备B的射频发送和接收窗口都是周期性地有计划地开和关，而且开的时间非常短，从而大大降低系统功耗并大大提高系统效率。

 

现在我们看看连接状态下是如何把数据0x53发送出去的，从中大家可以体会到蓝牙协议栈分层的妙处。

• 对开发者来说，很简单，他只需要调用send(0x53)
• GATT层定义数据的类型和分组，方便起见，我们用0x0013表示电量这种数据类型，这样GATT层把数据打包成130053（小端模式！）
• ATT层用来选择具体的通信命令，比如读/写/notify/indicate等，这里选择notify命令0x1B，这样数据包变成了：1B130053
• L2CAP用来指定connection interval（连接间隔），比如每10ms同步一次（CI不体现在数据包中），同时指定逻辑通道编号0004（表示ATT命令），最后把ATT数据长度0x0004加在包头，这样数据就变为：040004001B130053
• LL层要做的工作很多，首先LL层需要指定用哪个物理信道进行传输（物理信道不体现在数据包中），然后再给此连接分配一个Access address（0x50655DAB）以标识此连接只为设备A和设备B直连服务，然后加上LL header和payload length字段，LL header标识此packet为数据packet，而不是control packet等，payload length为整个L2CAP字段的长度，最后加上CRC24字段，以保证整个packet的数据完整性，所以数据包最后变成：
  • AAAB5D65501E08040004001B130053D550F6
    • AA – 前导帧(preamble)
    • 0x50655DAB – 访问地址(access address)
    • 1E – LL帧头字段(LL header)
    • 08 – 有效数据包长度(payload length)
    • 04000400 – ATT数据长度，以及L2CAP通道编号
    • 1B – notify command
    • 0x0013 – 电量数据handle
    • 0x53 – 真正要发送的电量数据
    • 0xF650D5 – CRC24值
    • 虽然开发者只调用了 send(0x53)，但由于低功耗蓝牙协议栈层层打包，最后空中实际传输的数据将变成下图所示的模样，这就既满足了低功耗蓝牙通信的需求，又让用户API变得简单，可谓一箭双雕！

上面只是对BLE协议栈实现原理做了一个简单概述，即便如此，由于都是关于BLE协议栈底层的东西，很多开发者还是会觉得比较枯燥和晦涩，而且对很多开发者来说，他们也不关心BLE协议栈是如何实现的，他们更关心的是BLE协议栈的使用，即怎么开发一个BLE应用。BLE应用是实打实的东西，不能像上面讲述协议栈一样泛泛而谈，必须结合具体的蓝牙芯片和蓝牙协议栈来讲解，为此后面将以Nordic芯片及协议栈作为范例，来具体讲解如何开发BLE应用，以及如何通过代码去理解BLE协议中定义的一些概念和术语。