BLE 传输速率/数据吞吐量(Data Throughput)

理论速率

在BLE产品中，一个普遍的矛盾就是功耗和数据速率之间的矛盾：为了传输快，就需要提高传输速率，但提高传输速率，则增大了功耗。

BLE规范目前定义了两种调制速率1Mbit/s和2Mbps，

BLE 5.0理论上最高可以支持到2Mbps，但在实际应用中会收到各种原因影响，速率会低很多，例如双向传输，协议开销(协议头)，CPU的能力，RF硬件的限制等等

一旦BLE设备建立连接后，两个设备会以相等的时间间隔交换数据，这个间隔成为连接间隔（Connection Interval），间隔范围是7.5ms-4s。并且，要交互的数据都发生在Connection Event之间，其余时间处于sleep状态，即使应用层无数据交互，整个链路也会以Connection Interval间隔交互数据(空包)，应用层数据多，Connection Event时间就越长，sleep时间就越短。

因此，连接间隔决定着传输速率，值越小，发送数据越快，但功耗也会越大。假如连接间隔是7.5ms，每个连接间隔可以发送125个字节，那么单向传输速率计算如下：

1000ms / 7.5ms *125bytes = 16666 bytes/sec = 133333 bps

如果是有回应的，双向传输：

1000 ms / (2 * 7.5 ms) * 125 bytes = 8,333 bytes/sec =66,666 bps

2. PDU大小

在数据通过BLE传输时，数据是以包(packet)的方式收发的，多个包可以在一个连接间隔内发送出去，每个包大小并不一定一样，但包有最大限制，因此又需要引入一个PDU(protocoldata unit)的概念。最大PDU表示在一个连接间隔中能发送的最大数据能力。不同BLE协议栈中或者不同的芯片支持的值是不同的例如下图是Silabs蓝牙芯片中支持的情况。

3. ATT MTU

MTU(maximumtransfer unit)和最大PDU类似，也用于表示在一次连接间隔内能发送多少数据，其概念用于GATT交互中。

数据吞吐量(DataThroughput)的计算

Nordic nRF51822

nRF51822使用的是1MbpsPHY，根据其规范说明，一个连接间隔内最大可以发送120个字节，因此当连接间隔设置为7.5ms时，最大传输速率计算：

1000ms/7.5ms * 120 = 15960 bytes /s = 127680 bps

可以看到，即使按照最短连接间隔计算，速率也原小于BLE规范理论速率。

Nordic nRF52840

nRF52840 支持蓝牙5.0，其ATT PDU是可配置的，假如我们设置MTU为251 个字节，按照最小连接间隔读操作或者有回应写操作，计算如下：

1000ms / （2*7.5 ms）* 251bytes = 16733 bytes/sec = 133866bps

4. 蓝牙5.0的最大数据吞吐量

要获取最大数据吞吐能力，可以将写操作属性设置为不需要ACK，即Write withoutACK，此时IFS以及接受和发送的时间都将极大优化，其蓝牙官网中给出的最大计算能力表示如下：

各个版本最大值如下

参考

https://www.bluetooth.com/blog/exploring-bluetooth-5-how-fast-can-it-be/

https://www.nordicsemi.com/Products/Low-power-short-range-wireless/nRF52840

https://www.silabs.com/community/wireless/bluetooth/knowledge-base.entry.html/2015/08/06/throughput_with_blue-Wybp

https://mp.weixin.qq.com/s?__biz=MzI1NTIzMTk0Ng==&mid=2247483667&idx=1&sn=801d1c24764e31c89a0b53f2da635c29&chksm=ea3853b6dd4fdaa04c74a60ebb9728299d022f73e811962fed6e47664a406ad58043b2567b97&token=1514169698&lang=zh_CN#rd

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