深入理解蓝牙5之高数据传输率

距离蓝牙5标准的发布已经有一段时间了。我们知道，蓝牙5具有更大的传输距离，是蓝牙4.2的4倍，更快的传输速度，是蓝牙4.2的2倍，同时广播数据包的长度也得到了提升，能够传输的数据是之前的8倍。蓝牙5发布后，有开发者问我，既然蓝牙5具有更高带宽，那它究竟能传输多快呢？今天我们就深入探讨一下蓝牙5的高数据传输率特性。这里主要针对蓝牙BLE技术。(注：之所以没有称之为蓝牙5.0，是因为官方认为此标准并非简单沿袭之前蓝牙4.0，4.1，4.2的方式，而是一次巨大的革新，是蓝牙技术的一个新阶段)。
众所周知，对于无线连接来说，需要花费一定的传输成本用于链路层维护，同时数据包中还有一部分冗余数据用于确保连接的高效与鲁棒性。对于蓝牙BLE来说，一次完整的传输周期如图1所示：

* “T” 代表传输数据包，包括帧头，负载（payload），完整性检查。传输的有用信息位于负载区域。
* “R”代表从对端设备接收数据包。当本地设备发送数据包后，对端设备会返回应答数据。
* “T_IFS” 是帧间空闲（Inter Frame Space），它规定了两个连续数据包的时间间隔。不管是蓝牙5还是蓝牙4.0，T_IFS 都是150微秒。具体内容请参考蓝牙核心规范Vol 6, Part B, Section 4.1 。

所以对于蓝牙BLE，数据传输率公式如下所示，此时设备处于连接状态，利用这个公式我们就可以计算蓝牙4.0到蓝牙5的数据传输率了：

蓝牙4.0/4.1

蓝牙4.0/4.1中BLE的包格式与信号调制速率相同，为1 Mb/s，即发送器每秒可以传输1M二进制位。

图2为蓝牙4.0/4.1链路层传输数据的包格式，PDU格式，数据头格式。从图2可以看到，长度字段（图中高亮位置）只有5位，表示Payload+MIC的长度范围是0~31字节。因为MIC占4个字节，所以Payload的长度必需小于等于27。

图3是一个完整的周期图。从图3可以看到，一个完整的周期包括：
* “R”
空的PDU长度是10字节，因为：

在1Mb/s 速度下它将耗费80 us，因为：

* T_IFS，150 us
* “T”
最大数据包长度是41字节：

它将耗费328 us，因为：

所以对于蓝牙4.0/4.1，真正的数据传输率为：

蓝牙4.2

蓝牙4.2的调制速率与蓝牙4.0/4.1相同，依然是1 Mb/s。但是数据包格式不同。如图4所示：

从图4可以看到，长度字段有8位（图中高亮部位），可以表示的长度范围是0~255。所以Payload的长度必需小于等于251。

图5是一个完整的周期图，与前面提到的类似，只是“T”的长度不同，最大数据包长度是265字节：

它将耗费2120 us，因为：

所以对于蓝牙4.2，真正的数据传输率为：

蓝牙5

蓝牙5的调制速率有两种。第一种与蓝牙4.0/4.1/4.2相同，为 1 Mb/s 。第二种为 2 Mb/s 。蓝牙5与蓝牙4.2的包格式相同，Payload最大为251字节。所以在 1 Mb/s的信号调制速率下，蓝牙4.2与蓝牙5的数据传输率相同。当使用 2 Mb/s调制速率时二者不相同，如图6所示：

图6是一个完整的周期图。从图6可以看到，一个完整的周期包括：
* “R”
空的PDU长度是10字节，因为：

在2Mb/s 速度下它将耗费40 us，因为：

* T_IFS，150 us
* “T”
最大数据包长度265字节：

它将耗费1060 us，因为：

所以对于蓝牙5，真正的数据传输率为：

总结

下图从理论上对比了不同版本蓝牙BLE规范的数据传输率。我们可以看到，蓝牙5的带宽是蓝牙4.0/4.1 的4.6倍，是蓝牙4.2的1.7倍。更高的带宽可以转化为更高的速度，这使蓝牙BLE能更快地传输数据流——更高效、更少的带宽占用，更适合快速数据传输。对于诸如OTA升级，或可穿戴设备的数据同步等应用场景，蓝牙5会极大提升用户体验，同时更高的速度也为将来的高速数据流传输构建了一个可靠的平台。

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