藍牙5.2 BLE EATT LEPC A2DP GATT MIC

多音訊同步/靈活高效/主動節電 藍牙5.2三招翻新用戶體驗

2021-03-20
隨著LE Audio近期熱鬧登場,藍牙技術聯盟(SIG)同時採納藍牙核心規範5.2修訂版本。一旦完整的規格內容公開發表後,跟著修訂規格而來的改變將需支援新型的藍牙音訊功能。

 

但是在對於音訊分享(Audio Sharing)等新應用上,新用例所需的低功耗藍牙等時通道(LE Isochronous Channel)功能並不是唯一跟著藍牙5.2出現的重要增強功能,其他新功能還包括增強屬性協定(EATT)和低功耗控制功能(LEPC)。以下是這些各項新功能的內容概述。

低功耗藍牙等時通道

低功耗藍牙等時通道功能對支援藍牙LE Audio非常重要,因為它允許將有時間限制的資料傳輸到一個或多個設備以進行時間同步處理。這項技術擴展了音訊應用,因為它不僅可以在單對單的連接中使用,也可以廣播到不限數量的多個設備中。

進階音訊分發配置設定檔(A2DP)是現有的藍牙音訊配置文件,它定義了如何將藍牙用於高品質的音訊應用,例如從智慧手機到一組藍牙耳機的串流。A2DP的缺點是它可以支援的拓撲結構僅限於單一或多個點對點配對,而拓撲定義了「播放源」(例如智慧手機等播放裝置)以及「接收設備」(例如播出聲音的揚聲器等設備)。A2DP無法確保多個接收器精確地同時播放音訊串流,因此難以在一系列關聯的裝置上同步播放。實際上,使用AD2P的藍牙音訊裝置僅在連接到單一個裝置時才能操作。

圖1  藍牙5.2版本為低功耗藍牙堆疊帶來各種改變,包括採用增強屬性協定(EATT),這是通用屬性協定(GATT)的升級版本;以及L2CA基於信用的流量控制增強模式。

低功耗等時通道提供了一種機制來改進這項缺點,可確保從同一來源接收資料的多個接收設備(例如左右兩邊的耳塞耳機)將同時播出它。資料具有一個時間限制的有效期,並在此期限結束後到期。尚未發送的過期資料將被丟棄。這些機制可以確保接收設備僅接收符合等待時間及延時規則的有效資料。

等時通道支援多種新應用

許多新的使用方法、新的拓撲結構以及最終許多新產品將憑藉新的低功耗藍牙等時通道功能實現。將低功耗藍牙用於音訊稱為LE Audio。

一個最顯而易見的LE Audio場景例子是個人音樂分享(Personal Audio Sharing)。一群朋友可以各自利用自己的藍牙耳機同時欣賞一台智慧手機上播放的音樂。這是一個私人群體分享一個單一音源的例子。這種聲音情境在教學和授課環境中的應用可說是五花八門,例如在大型演講廳或工業生產線中分組的個人和團體,可以同時聽到相同的內容、相同的解說和授課內容。

類似的使用例子還有「公眾輔助聽力」,也就是將劇場演出的對話用低功耗藍牙廣播,讓觀眾中擁有低功耗藍牙助聽器的用戶都可以清晰聽見。舉例來說,相同的技術也可以應用在健身房中的電視觀賞,所有使用低功耗藍牙耳機或耳塞的參與者都可以藉此收聽到電視聲道。同樣地,當在機場以多國語言廣播緊急航班消息時,飛機上的乘客可以將耳機連接到航班訊息系統,指定喜好的語言,並以該語言收聽航班消息。

增強屬性協定

藍牙5.2導入了增強屬性協定(EATT),這是通用屬性協定(GATT)的升級版本(圖1)。EATT的主要優勢是可以支援同時發生的兩個事件,允許來自不同應用程式與ATT相關的資料封包進行L2CAP(邏輯鏈路控制和適配協定)資料封包交錯放置,並允許在連接過程中改變ATT最大傳輸單元(MTU)的大小。若一個裝置上同時有多個應用程式使用低功耗藍牙堆疊,它們或許會暫時互相阻擋,而EATT這些改變可以減少這些情況,進而減少一個或多個應用程式的點對點延遲,並且改善回應,提供更好的用戶體驗。與原始ATT相比,增強版的EATT具有安全性的優勢,因為它只能使用加密連接。

帶有訊息完整性碼的藍牙LE加密封包

為了支援EATT,修訂後的核心規範定義了新的L2CAP模式。新模式稱為L2CAP(Enhanced Credit Based Flow Control Mode),為基於信用的流量控制增強模式,顧名思義,此模式提供流量控制,因此允許應用將該協定視為可靠的。

EATT的優勢

EATT一方面大為改善對堆疊多重存取的流程和延遲,對於消除安全漏洞的念頭也得到了良好的回應。

配對並交換了CSRK的裝置可以使用連線資料簽名。這是一個將數位簽名附加到Signed Write ATT PDU(Protocol Data Unit)的過程。但是,低功耗藍牙鏈路加密會將訊息完整性檢測字段加到所有PUD,這樣一來,當以加密鏈路發送Signed Write指令的簽名時便不會受到檢查,因為訊息完整性碼(Message Integrity Code, MIC)被視為已提供所需的身分驗證。EATT只能在加密鏈路上使用,進而使Signed Write PDU變得多餘,因此在使用增強型ATT Bearer時不允許這麼做。

ATT依照順序運行,所以一次只能執行一次事件;但是EATT可在低功耗藍牙的客戶端和伺服器之間同時執行多個事件。因此,EATT在現實應用中的主要優勢包括便利性、靈活性、更快的處理速度。

低功耗控制功能

藍牙5.2第三個添加的重要功能是LE Power Control。這項功能使設備可以動態最佳化通訊時使用的傳輸功率以延長電池使用壽命。低功耗藍牙接收器現在可以監控發射設備上的訊號強度,並請求更改發射功率,通常是為了平衡訊號品質和功率。這是一項重要的額外功能,因為特別高強度的訊號可能會使接收設備變得飽和而導致通訊失敗;反之,當訊號強度太低時,接收設備的錯誤率會增加,進而影響傳輸並最終導致傳輸失敗。

LE Power Control功能允許藍牙控制器藉由使用「區域」的概念來監控路徑損耗的變化並將其報告給藍牙主機。最後,這項功能還可讓環境中其他使用2.4GHz頻率範圍的無線設備改善共存。

如上所述,LE Power Control功能的主要優勢是電池電力的高效利用。在使用電池供電的感測器的部分,就像存在於物聯網和智慧家庭中的許多應用,新的低功耗藍牙5.2性能允許動態最佳化電池壽命,同時將供電維持降至較低,進而大幅降低成本。

(本文由Nordic提供)

 

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