這篇文章將包含以下幾個主題：

1.BLE的實際吞吐量是多少涣达？

2.藍牙5的新2M PHY用于數(shù)據(jù)傳輸?

3.影響/確定數(shù)據(jù)吞吐量的因素有哪些政供？

4.如何計算應(yīng)用程序中的數(shù)據(jù)吞吐量琢岩？

5.如何最大化數(shù)據(jù)吞吐量？

藍牙5定義的 LE 2M PHY以及藍牙4.x協(xié)議 LE 1M PHY都稱為未編碼PHY沈善，因為它們每位數(shù)據(jù)使用1個符號表示（與使用S=2或S=8的新LE編碼PHY相比）口叙。

我們需要明白各大芯片廠商數(shù)據(jù)手冊宣傳的速度（1 Mbps和新的2 Mbps）僅僅只是理論值(空中速率)炼绘，并且在應(yīng)用程序中吞吐量會被削減。原因有多種妄田，我們將在下面一一介紹俺亮。

藍牙5“2x速度”需要硬件支持，因此老的設(shè)備/芯片/模塊將不支持藍牙5 2M PHY（市面已經(jīng)有手機支持藍牙5 2M PHY）疟呐。要注意脚曾，為了實現(xiàn)更高吞吐量，需要兩個BLE設(shè)備相互都支持LE 2M PHY启具。

另一個需要明確的是本讥，當使用更高速度的PHY時，實際上功耗可以做的更低（傳輸相同數(shù)量的數(shù)據(jù)鲁冯，時間短功耗低）拷沸。這是因為減少了芯片工作時間而又沒有增加發(fā)射功率。反過來這樣做改善了與2.4 GHz頻譜內(nèi)的其他無線技術(shù)的共存（也是由于減少了無線電工作時間薯演，減少2,4G帶寬的占用）撞芍。

為什么不可能達到BLE的理論速度？

1 Mbps（LE 1M PHY）涣仿，2 Mbps（LE 2M PHY）勤庐，125 kbps和500 kbps（均使用LE編碼PHY，S = 8和S = 2）的數(shù)據(jù)速率是無線電在空中的速率傳輸數(shù)據(jù)好港，但由于以下原因愉镰，應(yīng)用程序吞吐量是達不到該理論值：

1.藍牙規(guī)范限制每個連接間隔的數(shù)據(jù)包數(shù)量

2.數(shù)據(jù)包之間的幀間間隔（IFS）延遲（150 us）

3.即使沒有可用于傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，也需要從設(shè)備發(fā)送空數(shù)據(jù)包

4.數(shù)據(jù)包開銷 - 并非數(shù)據(jù)包中的所有字節(jié)都用于有效負載

為了更好地理解這些因素并了解影響應(yīng)用程序吞吐量的因素钧汹，我們必須深入了解數(shù)據(jù)包格式丈探。 下圖顯示了LE 1M PHY和2M PHY數(shù)據(jù)包的外觀：

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我們感興趣的部分（真正定義應(yīng)用程序數(shù)據(jù)的部分）是ATT Payload。 從圖中可以看出拔莱，藍牙低功耗中的每一層都使用了許多額外開銷字節(jié)碗降。

在4.0和4.1中，最大ATT有效載荷為20個字節(jié)塘秦。

在4.2和5.0中讼渊，稱為數(shù)據(jù)長度擴展（DLE）的新功能允許ATT有效載荷最多可容納244個字節(jié)的數(shù)據(jù)。

藍牙5速：使用新的2M PHY實現(xiàn)2倍速

首先了解下藍牙5中使用新LE 2M PHY的局限性：

1.不能用于主要廣播信道（37尊剔，38爪幻，39）。

2.可用于與數(shù)據(jù)包在同一通道上發(fā)送的輔助“輔助數(shù)據(jù)包”（37個通道：0-36）须误。

要了解有關(guān)主要和次要廣告的更多信息挨稿，請參閱我之前的文章【細說BLUETOOTH 5 【2X 數(shù)據(jù)吞吐量】】.

藍牙5規(guī)格書有說明，LE 1M PHY是強制性的京痢，而LE 2M PHY是可選的奶甘，因此，并非所有聲稱支持藍牙5的芯片都必須能夠處理更高的吞吐量祭椰。

LE 2M PHY上可以發(fā)生從端廣播模式和主端掃描模式臭家，然后使用LE 2M PHY在第二廣告信道上進行連接。

用戶交互數(shù)據(jù)從一個設(shè)備傳輸?shù)搅硪粋€設(shè)備是發(fā)生在兩個設(shè)備的連接階段吭产。連接的設(shè)備可以通過更新PHY來協(xié)商使用不同PHY侣监。它可以在建立連接后由從設(shè)備或主設(shè)備發(fā)起，但主設(shè)備最終將決定哪個PHY（基于從設(shè)備的請求和主設(shè)備支持的PHY）臣淤。

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下面一些因素會影響B(tài)LE應(yīng)用程序的數(shù)據(jù)吞吐量：

1.使用的PHY（LE 1M vs. LE 2M與LE編碼（S = 2或S = 8））

2.連接間隔

3.每個連接間隔的最大數(shù)據(jù)包數(shù)

4.ATT最大傳輸單元（ATT MTU）

5.數(shù)據(jù)長度擴展（DLE）

6.操作類型：寫入響應(yīng)與寫入無響應(yīng)橄霉，指示與通知

7.幀間間隔（IFS）：后續(xù)數(shù)據(jù)包之間的時間間隔（150 us）

8.傳輸空包

9.數(shù)據(jù)包開銷 - 并非數(shù)據(jù)包中的所有字節(jié)都用于應(yīng)用程序有效負載

根據(jù)這9點，我們一點一點詳細地討論邑蒋。

PHY

藍牙5中基本上有三種PHY：原始的1 Mbps PHY姓蜂，新的2 Mbps和編碼的PHY（S = 2或S = 8）。所使用的PHY將直接影響您可以實現(xiàn)的最大數(shù)據(jù)吞吐量医吊，因為它確定了通過無線方式發(fā)送數(shù)據(jù)包的實際原始數(shù)據(jù)速率钱慢。

每個連接事件的連接間隔和最大數(shù)據(jù)包

連接間隔有效地確定在一個連接事件期間可以發(fā)送多少數(shù)據(jù)包。值越高卿堂，在一個連接事件中可以發(fā)送的數(shù)據(jù)包越多（某些設(shè)備達到某個限制）束莫。

BLE連接間隔和事件

每個連接事件的數(shù)據(jù)包數(shù)量取決于設(shè)備和BLE堆棧懒棉，因此它受到限制，并且在特定設(shè)備上的設(shè)備和堆棧版本之間有所不同览绿。此值還取決于設(shè)備的操作策严，因此無線電可能必須處理其他事件，并且每個連接事件發(fā)送的數(shù)據(jù)包數(shù)量可能達不到堆棧允許的最大值饿敲。例如妻导，iOS和Android之間的數(shù)量不同，也會根據(jù)設(shè)備上運行的操作系統(tǒng)版本而有所不同怀各。

數(shù)據(jù)長度擴展（DLE）

此功能允許數(shù)據(jù)包大小保持更大的有效負載（最多251個字節(jié)倔韭，而禁用時為27個字節(jié)）。此功能是在藍牙規(guī)范4.2版中引入的瓢对。

ATT最大傳輸單元（ATT MTU）

ATT MTU確定發(fā)送器和接收器可以處理的最大數(shù)據(jù)量以及它們可以保存在緩沖器中的數(shù)據(jù)量寿酌。

MTU值影響開銷數(shù)據(jù)量（特別是3個字節(jié)的ATT頭）。允許的最小ATT MTU是27個字節(jié)硕蛹。這允許最多20個字節(jié)的ATT有效載荷（3個字節(jié)用于ATT報頭份名，4個字節(jié)用于L2CAP報頭）。

對于MTU值有多高妓美，每個規(guī)范沒有限制僵腺，但使用中的特定堆棧可能有其自身的局限性壶栋。例如辰如，如果啟用DLE，則最多可以傳輸251 - 4 = 247個字節(jié)（扣除L2CAP標頭大小后）贵试。在考慮ATT報頭（3個字節(jié)）之后琉兜，我們留下了244個字節(jié)用于實際的ATT有效載荷數(shù)據(jù)。如果MTU至少為247字節(jié)毙玻，則MTU將適合一個單獨的數(shù)據(jù)包豌蟋。如果MTU大于247字節(jié)，則MTU將跨越多個分組桑滩，導致吞吐量下降（由于分組開銷和分組之間的定時）梧疲。

有效MTU由客戶端和服務(wù)器支持的ATT MTU的最小值確定。例如运准，如果客戶端支持100字節(jié)的ATT MTU并且服務(wù)器響應(yīng)它支持150字節(jié)的ATT MTU幌氮，則客戶端將決定用于從其上進行連接的ATT MTU是100字節(jié)。

操作類型：寫入響應(yīng)與寫入無響應(yīng)胁澳，指示與通知

如果需要高吞吐量该互，那么我們可以使用Write without response或Notifications將數(shù)據(jù)從客戶端傳輸?shù)椒?wù)器以及從服務(wù)器傳輸?shù)娇蛻舳恕＿@些操作不需要其他設(shè)備確認收到數(shù)據(jù)并在下一個數(shù)據(jù)塊發(fā)送之前做出響應(yīng)韭畸。

幀間間隔（IFS）：連續(xù)數(shù)據(jù)包之間的時間延遲（150 us）

從藍牙規(guī)范：

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傳輸空包

如果接收數(shù)據(jù)的設(shè)備沒有要發(fā)回的數(shù)據(jù)宇智，則仍需要按照藍牙規(guī)范發(fā)送空數(shù)據(jù)包蔓搞。

數(shù)據(jù)包開銷

正如我們在數(shù)據(jù)包格式圖中看到的那樣，數(shù)據(jù)包包含一些不計入應(yīng)用程序數(shù)據(jù)（ATT數(shù)據(jù)）的開銷數(shù)據(jù)随橘“苊鳎基本上，這些字節(jié)將消耗部分傳輸數(shù)據(jù)速率太防，而不考慮作為應(yīng)用程序數(shù)據(jù)的一部分發(fā)送的任何字節(jié)。

計算應(yīng)用程序數(shù)據(jù)吞吐量

敲黑板酸员，畫重點蜒车，正如我們之前提到的，有如下些因數(shù)會影響數(shù)據(jù)吞吐量：

1.使用藍牙版本和PHY

2.DLE：數(shù)據(jù)長度擴展 - 啟用與否

3.ATT MTU值

4.連接間隔

5.每個連接事件的最大數(shù)據(jù)包數(shù)

6.操作（寫入響應(yīng)與寫入沒有響應(yīng)幔嗦，以及通知與指示）

7.幀間間隔（IFS）：150微秒

藍牙版本和PHY確定原始數(shù)據(jù)傳輸速率酿愧。例如，如果我們使用藍牙版本4.2和LE 1M PHY邀泉，則傳輸速率為1 Mbps嬉挡。另一方面，如果我們使用藍牙5 S = 8的 LE編碼PHY汇恤，則數(shù)據(jù)速率降至125 kbps庞钢。

DLE，ATT MTU因谎，連接間隔基括，每個連接間隔的最大數(shù)據(jù)包數(shù)，操作和IFS都是用于實際數(shù)據(jù)傳輸時間财岔。

數(shù)據(jù)包格式在傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量是實際應(yīng)用程序數(shù)據(jù)方面起著重要作用风皿。 LE 1M PHY和LE 2M PHY都具有類似的數(shù)據(jù)包格式。 LE編碼PHY具有明顯不同的數(shù)據(jù)包格式匠璧，因此我們將分別查看這兩種情況桐款。

LE 1M PHY和LE 2M PHY計算

返回參考LE未編碼PHY的數(shù)據(jù)包格式：

針對不同PHY，數(shù)據(jù)開銷略有不同夷恍。 對于1M PHY魔眨，前導碼是1字節(jié)，而對于2M PHY酿雪，前導碼是2字節(jié)冰沙。 MIC字段是可選字段，僅用于加密連接执虹。 為簡單起見拓挥，我們只考慮未加密的連接 - 對于加密的情況，它只是增加了4個字節(jié)的開銷袋励。

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對于LE編碼PHY侥啤，數(shù)據(jù)包格式如下所示（來自藍牙5.0規(guī)范第6卷当叭，第B部分，第2.2節(jié)）：

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計算吞吐量的步驟（以Mbps為單位）：

為簡單起見盖灸，我們做假設(shè)如下：

1.未啟用加密（數(shù)據(jù)包中不包含MIC字段）蚁鳖。

2.我們感興趣的是單方向的吞吐量（例如Master to Slave），所以我們假設(shè)另一個方向只傳輸空數(shù)據(jù)包赁炎。

3.寫入時醉箕，對方無需響應(yīng)（No Ack）。

步驟：

確定正在使用的PHY并記下原始數(shù)據(jù)傳輸速率

例如徙垫。 對于1M PHY - > 1 Mbps讥裤，對于編碼PHY和S = 8 - > 125 kbps

確定從接收器發(fā)送一個數(shù)據(jù)包和空包的時間。

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可以發(fā)送一個數(shù)據(jù)包的時間包括以下內(nèi)容：

Data_Packet_Time =發(fā)送空包的時間+ IFS +發(fā)送實際數(shù)據(jù)包+ IFS的時間姻报。

空包傳輸時間可以如下計算：傳輸空包的時間=空包大小/原始數(shù)據(jù)速率

空包將包含以下字段：前導 + 訪問地址(access address)+ LL頭+ CRC己英。

對于1M PHY，前導將為1字節(jié)吴旋，因此空包的總大小= 1 + 4 + 2 + 3字節(jié)= 10字節(jié)=80位损肛。

（對于2M PHY，空數(shù)據(jù)包的大小將為88位荣瑟，因為Premable是2個字節(jié)而不是1個字節(jié)）治拿。基于此笆焰，傳輸空1M PHY數(shù)據(jù)包的時間將是：

傳輸空數(shù)據(jù)包的時間=空數(shù)據(jù)包大小/原始數(shù)據(jù)速率= 80位/ 1兆位/秒= 80微秒數(shù)據(jù)包將包含數(shù)據(jù)包格式圖中列出的所有字段忍啤，但MIC字段除外（加密禁用）。傳輸數(shù)據(jù)包的時間=數(shù)據(jù)包size / raw data rate如果我們啟用了DLE并且ATT MTU等于一個數(shù)據(jù)包中允許的最大字節(jié)數(shù)：247個字節(jié)仙辟，那么我們可以將數(shù)據(jù)包大小計算為：

數(shù)據(jù)包大小= 1 + 4 + 2 + 4 + 247 + 3字節(jié)= 265字節(jié)= 265 8位= 2088 bit

發(fā)送數(shù)據(jù)包的時間= 2088位/ 1 Mbps = 2,088us

Data_Packet_Time =發(fā)送空包的時間+ IFS +發(fā)送實際數(shù)據(jù)包的時間+ IFS = 80 + 2 150 + 2088 = 2,468us

為了比較同波，在2M PHY的情況下，它將是：

Data_Packet_Time =發(fā)送空包的時間+ IFS +發(fā)送實際數(shù)據(jù)包的時間+ IFS = 88/2 + 2 150 +（2 + 4 + 2 + 4 + 247 + 3） 8/2 = 1,392us

當啟用DLE并且ATT MTU設(shè)置為小于247時叠国，會產(chǎn)生更多開銷（因為現(xiàn)在大于ATT MTU的數(shù)據(jù)被分成更多數(shù)據(jù)包）未檩。例如，假設(shè)我們將ATT MTU設(shè)置為158粟焊，那么為了傳輸244個字節(jié)的應(yīng)用程序數(shù)據(jù)冤狡，我們需要兩個數(shù)據(jù)包而不是一個，導致吞吐量因字節(jié)開銷增加而增加而增加數(shù)據(jù)包之間的IFS项棠。

在另一種情況下悲雳，我們可以禁用DLE（有效負載大小最多27個字節(jié)）和ATT MTU大于27個字節(jié)。在這里香追，這也將導致需要為相同數(shù)量的數(shù)據(jù)發(fā)送更多數(shù)據(jù)包合瓢，從而導致吞吐量下降。

注意：用于計算上面使用的數(shù)據(jù)和空數(shù)據(jù)包大小的方法可以用于計算LE編碼PHY透典。

確定在一個連接間隔期間可以傳輸多少數(shù)據(jù)包

前一篇文章講過晴楔，這種計算并不總是純粹的數(shù)學計算 - 需要考慮使用的堆棧和設(shè)備的限制顿苇。在藍牙芯片供應(yīng)商的SDK中，通常在其文檔中會列出最大值税弃。iOS和Android的最大值隨操作系統(tǒng)版本而變化纪岁，所以要弄清楚并不容易。

一旦計算出最大值则果，就可以計算出適合所選連接間隔的最大理論數(shù)據(jù)包數(shù)幔翰。例如，如果我們的連接間隔為7.5毫秒（規(guī)范允許的最低值）西壮，則對于上面的示例（使用1M PHY遗增，啟用DLE）：

每個連接間隔的最大數(shù)據(jù)包數(shù)= [連接間隔/ Data_Packet_Time]，其中[]舍入到最大整數(shù)（整數(shù)）茸时。

每個連接間隔的最大數(shù)據(jù)包數(shù)= [7.5 1,000微秒/ 2,468微秒] = 3個數(shù)據(jù)包

通常，這個數(shù)字是不現(xiàn)實的赋访，因為在連續(xù)的連接事件上發(fā)送的數(shù)據(jù)包之間存在時間延遲可都。因此，對于我們的示例蚓耽，我們將使用2個數(shù)據(jù)包而不是3個數(shù)據(jù)包渠牲。

一旦我們計算出每個連接間隔可以傳輸?shù)淖畲髷?shù)據(jù)包數(shù)，我們就可以計算出數(shù)據(jù)吞吐量：

數(shù)據(jù)吞吐量 = 每個連接間隔的數(shù)據(jù)/連接間隔 = 每個連接間隔的數(shù)據(jù)包數(shù)量每個數(shù)據(jù)包/連接間隔的數(shù)據(jù)大小

= 2 244 8位/7.5毫秒= 520,533位/秒?= 508kbps

大家會認為步悠，連接間隔越小签杈，速率肯定更高，然鼎兽，并不是答姥。

下面就根據(jù)真實測試數(shù)據(jù)和計算理論值一一對比。

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如有需要理論測試值計算推導的朋友谚咬，可以后臺跟我聯(lián)系鹦付。

總結(jié)：

路由器，藍牙择卦，手機wifi等2.4G的設(shè)備干擾敲长，測試設(shè)備主從之間的距離，設(shè)備之間存在障礙等因數(shù)都會影響測試結(jié)果秉继。上面列出的測試值和理論值祈噪，可能實際環(huán)境中的測量數(shù)據(jù)吞吐量不一致。干擾和傳輸/接收錯誤會影響數(shù)據(jù)吞吐量（重試尚辑，數(shù)據(jù)丟失和連接事件關(guān)閉會導致吞吐量降低）辑鲤。 但本文詳細分析了所有和速率相關(guān)的因素，在實際使用中杠茬，大家可以自由DIY

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