文章從以下幾個(gè)問(wèn)題著手分析藍(lán)牙5的速率：

1. BLE的實(shí)際吞吐量是多少潘酗？
2. 藍(lán)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眶拉？
4. 如何計(jì)算應(yīng)用程序中的數(shù)據(jù)吞吐量谍倦？
5. 如何最大化數(shù)據(jù)吞吐量？

實(shí)際吞吐量

藍(lán)牙5定義的 LE 2M PHY以及藍(lán)牙4.x協(xié)議 LE 1M PHY都稱為未編碼PHY，因?yàn)樗鼈兠课粩?shù)據(jù)使用1個(gè)符號(hào)表示（與使用S=2或S=8的新LE編碼PHY相比）檩赢。

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

藍(lán)牙5“2x速度”需要硬件支持趁曼，因此老的設(shè)備/芯片/模塊將不支持藍(lán)牙5 2M PHY（市面已經(jīng)有手機(jī)支持藍(lán)牙5 2M PHY）军浆。要注意，為了實(shí)現(xiàn)更高吞吐量挡闰，需要兩個(gè)BLE設(shè)備相互都支持LE 2M PHY乒融。

此外，當(dāng)使用更高速度的PHY時(shí)，實(shí)際上功耗可以做的更低（傳輸相同數(shù)量的數(shù)據(jù)簇抵，時(shí)間短功耗低）庆杜。這是因?yàn)闇p少了芯片工作時(shí)間而又沒(méi)有增加發(fā)射功率。反過(guò)來(lái)這樣做改善了與2.4 GHz頻譜內(nèi)的其他無(wú)線技術(shù)的共存（也是由于減少了無(wú)線電工作時(shí)間碟摆，減少2,4G帶寬的占用）晃财。

為什么不可能達(dá)到BLE的理論速度？

1 Mbps（LE 1M PHY）典蜕，2 Mbps（LE 2M PHY）断盛，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(wú)線電在空中的速率傳輸數(shù)據(jù)愉舔，但由于以下原因钢猛，應(yīng)用程序吞吐量是達(dá)不到該理論值：

1. 藍(lán)牙規(guī)范限制每個(gè)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(méi)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(kāi)銷 - 并非數(shù)據(jù)包中的所有字節(jié)都用于有效負(fù)載

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。 從圖中可以看出火的，藍(lán)牙低功耗中的每一層都使用了許多額外開(kāi)銷字節(jié)壶愤。

在4.0和4.1中，最大ATT有效載荷為20個(gè)字節(jié)馏鹤。
在4.2和5.0中征椒，稱為數(shù)據(jù)長(zhǎng)度擴(kuò)展（DLE）的新功能允許ATT有效載荷最多可容納244個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)。

藍(lán)牙5速率：使用新的2M PHY實(shí)現(xiàn)2倍速

首先了解下藍(lán)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湃累，38勃救，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(gè)通道：0-36）治力。

藍(lán)牙5規(guī)格書(shū)說(shuō)明蒙秒，LE 1M PHY是強(qiáng)制性的，而LE 2M PHY是可選的琴许，因此税肪，并非所有聲稱支持藍(lán)牙5的芯片都必須能夠處理更高的吞吐量。

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

影響B(tài)LE應(yīng)用程序的數(shù)據(jù)吞吐量因素：

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(gè)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(zhǎng)度擴(kuò)展（DLE）
6. 操作類型：寫(xiě)入響應(yīng)與寫(xiě)入無(wú)響應(yīng)辩块，指示與通知
7. 幀間間隔（IFS）：后續(xù)數(shù)據(jù)包之間的時(shí)間間隔（150 us）
8. 傳輸空包
9. 數(shù)據(jù)包開(kāi)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(fù)載
   根據(jù)這9點(diǎn)蛔六，我們一點(diǎn)一點(diǎn)詳細(xì)地討論荆永。

PHY

藍(lán)牙5中基本上有三種PHY：原始的1 Mbps PHY，新的2 Mbps和編碼的PHY（S = 2或S = 8）国章。所使用的PHY將直接影響您可以實(shí)現(xiàn)的最大數(shù)據(jù)吞吐量具钥，因?yàn)樗_定了通過(guò)無(wú)線方式發(fā)送數(shù)據(jù)包的實(shí)際原始數(shù)據(jù)速率。

每個(gè)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(gè)連接事件期間可以發(fā)送多少數(shù)據(jù)包液兽。值越高骂删，在一個(gè)連接事件中可以發(fā)送的數(shù)據(jù)包越多（某些設(shè)備達(dá)到某個(gè)限制）。

BLE連接間隔和事件

每個(gè)連接事件的數(shù)據(jù)包數(shù)量取決于設(shè)備和BLE堆棧四啰，因此它受到限制宁玫，并且在特定設(shè)備上的設(shè)備和堆棧版本之間有所不同。此值還取決于設(shè)備的操作柑晒，因此無(wú)線電可能必須處理其他事件欧瘪，并且每個(gè)連接事件發(fā)送的數(shù)據(jù)包數(shù)量可能達(dá)不到堆棧允許的最大值。例如匙赞，iOS和Android之間的數(shù)量不同佛掖，也會(huì)根據(jù)設(shè)備上運(yùn)行的操作系統(tǒng)版本而有所不同。

數(shù)據(jù)長(zhǎng)度擴(kuò)展（DLE）

此功能允許數(shù)據(jù)包大小保持更大的有效負(fù)載（最多251個(gè)字節(jié)涌庭，而禁用時(shí)為27個(gè)字節(jié)）苦囱。此功能是在藍(lán)牙規(guī)范4.2版中引入的。

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)量脾猛。
MTU值影響開(kāi)銷數(shù)據(jù)量（特別是3個(gè)字節(jié)的ATT頭）。允許的最小ATT MTU是27個(gè)字節(jié)鱼鸠。這允許最多20個(gè)字節(jié)的ATT有效載荷（3個(gè)字節(jié)用于ATT報(bào)頭猛拴，4個(gè)字節(jié)用于L2CAP報(bào)頭）。

對(duì)于MTU值有多高蚀狰，每個(gè)規(guī)范沒(méi)有限制愉昆，但使用中的特定堆棧可能有其自身的局限性麻蹋。例如跛溉，如果啟用DLE，則最多可以傳輸251 - 4 = 247個(gè)字節(jié)（扣除L2CAP標(biāo)頭大小后）扮授。在考慮ATT報(bào)頭（3個(gè)字節(jié)）之后芳室，我們留下了244個(gè)字節(jié)用于實(shí)際的ATT有效載荷數(shù)據(jù)。如果MTU至少為247字節(jié)刹勃，則MTU將適合一個(gè)單獨(dú)的數(shù)據(jù)包堪侯。如果MTU大于247字節(jié)，則MTU將跨越多個(gè)分組荔仁，導(dǎo)致吞吐量下降（由于分組開(kāi)銷和分組之間的定時(shí)）伍宦。

有效MTU由客戶端和服務(wù)器支持的ATT MTU的最小值確定芽死。例如，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次洼，則客戶端將決定用于從其上進(jìn)行連接的ATT MTU是100字節(jié)关贵。

操作類型：寫(xiě)入響應(yīng)與寫(xiě)入無(wú)響應(yīng)，指示與通知

如果需要高吞吐量卖毁，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)娇蛻舳艘驹＿@些操作不需要其他設(shè)備確認(rèn)收到數(shù)據(jù)并在下一個(gè)數(shù)據(jù)塊發(fā)送之前做出響應(yīng)。

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

傳輸空包

如果接收數(shù)據(jù)的設(shè)備沒(méi)有要發(fā)回的數(shù)據(jù)，則仍需要按照藍(lán)牙規(guī)范發(fā)送空數(shù)據(jù)包跑芳。

數(shù)據(jù)包開(kāi)銷

正如我們?cè)跀?shù)據(jù)包格式圖中看到的那樣迂苛，數(shù)據(jù)包包含一些不計(jì)入應(yīng)用程序數(shù)據(jù)（ATT數(shù)據(jù)）的開(kāi)銷數(shù)據(jù)∧罴溃基本上，這些字節(jié)將消耗部分傳輸數(shù)據(jù)速率碍侦，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)粱坤。

計(jì)算應(yīng)用程序數(shù)據(jù)吞吐量

正如我們之前提到的，有如下些因數(shù)會(huì)影響數(shù)據(jù)吞吐量：

1. 使用藍(lán)牙版本和PHY
2. DLE：數(shù)據(jù)長(zhǎng)度擴(kuò)展 - 啟用與否
3. ATT MTU值
4. 連接間隔
5. 每個(gè)連接事件的最大數(shù)據(jù)包數(shù)
6. 操作（寫(xiě)入響應(yīng)與寫(xiě)入沒(méi)有響應(yīng)瓷产，以及通知與指示）
7. 幀間間隔（IFS）：150微秒

藍(lán)牙版本和PHY確定原始數(shù)據(jù)傳輸速率站玄。例如，如果我們使用藍(lán)牙版本4.2和LE 1M PHY濒旦，則傳輸速率為1 Mbps株旷。另一方面，如果我們使用藍(lán)牙5 S = 8的 LE編碼PHY尔邓，則數(shù)據(jù)速率降至125 kbps晾剖。

DLE，ATT MTU梯嗽，連接間隔齿尽，每個(gè)連接間隔的最大數(shù)據(jù)包數(shù)，操作和IFS都是用于實(shí)際數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間灯节。

數(shù)據(jù)包格式在傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量是實(shí)際應(yīng)用程序數(shù)據(jù)方面起著重要作用循头。 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)包格式炎疆，因此我們將分別查看這兩種情況：LE 1M PHY和LE 2M PHY計(jì)算卡骂。

參考LE未編碼PHY的數(shù)據(jù)包格式：

針對(duì)不同PHY，數(shù)據(jù)開(kāi)銷略有不同磷雇。 對(duì)于1M PHY偿警，前導(dǎo)碼是1字節(jié)，而對(duì)于2M PHY唯笙，前導(dǎo)碼是2字節(jié)螟蒸。 MIC字段是可選字段盒使，僅用于加密連接。 為簡(jiǎn)單起見(jiàn)七嫌，我們只考慮未加密的連接 - 對(duì)于加密的情況少办，它只是增加了4個(gè)字節(jié)的開(kāi)銷。

對(duì)于LE編碼PHY诵原，數(shù)據(jù)包格式如下所示（來(lái)自藍(lán)牙5.0規(guī)范第6卷英妓，第B部分，第2.2節(jié)）：

計(jì)算吞吐量的步驟（以Mbps為單位）：

為簡(jiǎn)單起見(jiàn)绍赛，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）蔓纠。
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(gè)方向只傳輸空數(shù)據(jù)包吗蚌。
3. 寫(xiě)入時(shí)腿倚，對(duì)方無(wú)需響應(yīng)（No Ack）。

步驟：

1. 確定正在使用的PHY并記下原始數(shù)據(jù)傳輸速率

例如： 對(duì)于1M PHY - > 1 Mbps蚯妇，對(duì)于編碼PHY和S = 8 - > 125 kbps

2. 確定從接收器發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)包和空包的時(shí)間敷燎。
   
   

   可以發(fā)送一個(gè)數(shù)據(jù)包的時(shí)間包括以下內(nèi)容：

Data_Packet_Time =發(fā)送空包的時(shí)間+ IFS +發(fā)送實(shí)際數(shù)據(jù)包+ IFS的時(shí)間

空包傳輸時(shí)間可以如下計(jì)算：

傳輸空包的時(shí)間=空包大小/原始數(shù)據(jù)速率
空包將包含以下字段：前導(dǎo) + 訪問(wèn)地址(access address)+ LL頭+ CRC。
對(duì)于1M PHY箩言，前導(dǎo)將為1字節(jié)硬贯，因此空包的總大小= 1 + 4 + 2 + 3字節(jié)= 10字節(jié)= 80位。
對(duì)于2M PHY陨收，空數(shù)據(jù)包的大小將為88位饭豹，因?yàn)镻remable是2個(gè)字節(jié)而不是1個(gè)字節(jié)）。

基于此务漩，傳輸空1M PHY數(shù)據(jù)包的時(shí)間將是：

傳輸空數(shù)據(jù)包的時(shí)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墨状，但MIC字段除外（加密禁用）。

傳輸數(shù)據(jù)包的時(shí)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(gè)數(shù)據(jù)包中允許的最大字節(jié)數(shù)：247個(gè)字節(jié)菲饼，那么我們可以將數(shù)據(jù)包大小計(jì)算為：

數(shù)據(jù)包size= 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(shí)間= 2088位/ 1 Mbps = 2,088us

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

在2M PHY的情況下，它將是：

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

當(dāng)啟用DLE并且ATT MTU設(shè)置為小于247時(shí)列赎，會(huì)產(chǎn)生更多開(kāi)銷（因?yàn)楝F(xiàn)在大于ATT MTU的數(shù)據(jù)被分成更多數(shù)據(jù)包）宏悦。例如，假設(shè)我們將ATT MTU設(shè)置為158包吝，那么為了傳輸244個(gè)字節(jié)的應(yīng)用程序數(shù)據(jù)饼煞，我們需要兩個(gè)數(shù)據(jù)包而不是一個(gè)，導(dǎo)致吞吐量因字節(jié)開(kāi)銷增加而增加而增加數(shù)據(jù)包之間的IFS诗越。

在另一種情況下砖瞧，我們可以禁用DLE（有效負(fù)載大小最多27個(gè)字節(jié)）和ATT MTU大于27個(gè)字節(jié)。這也將導(dǎo)致需要為相同數(shù)量的數(shù)據(jù)發(fā)送更多數(shù)據(jù)包嚷狞，從而導(dǎo)致吞吐量下降块促。

注意：

用于計(jì)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(jì)算LE編碼PHY荣堰。

一個(gè)連接間隔期間可以傳輸多少數(shù)據(jù)包

前一篇文章講過(guò)，這種計(jì)算并不總是純粹的數(shù)學(xué)計(jì)算竭翠，需要考慮使用的堆棧和設(shè)備的限制振坚。在藍(lán)牙芯片供應(yīng)商的SDK中，通常在其文檔中會(huì)列出最大值斋扰。 iOS和Android的最大值隨操作系統(tǒng)版本而變化渡八，所以要弄清楚并不容易。

一旦計(jì)算出最大值传货，就可以計(jì)算出適合所選連接間隔的最大理論數(shù)據(jù)包數(shù)屎鳍。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）问裕，則對(duì)于上面的示例（使用1M PHY逮壁，啟用DLE）：

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

每個(gè)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(gè)數(shù)據(jù)包
通常僻澎，這個(gè)數(shù)字是不現(xiàn)實(shí)的貌踏，因?yàn)樵谶B續(xù)的連接事件上發(fā)送的數(shù)據(jù)包之間存在時(shí)間延遲。因此窟勃，對(duì)于我們的示例祖乳，我們將使用2個(gè)數(shù)據(jù)包而不是3個(gè)數(shù)據(jù)包。

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

數(shù)據(jù)吞吐量 = 每個(gè)連接間隔的數(shù)據(jù)/連接間隔 = 每個(gè)連接間隔的數(shù)據(jù)包數(shù)量*每個(gè)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(huì)認(rèn)為眷昆，連接間隔越小，速率肯定更高汁咏，實(shí)際并不是這樣的亚斋。

總結(jié)：

路由器攘滩，藍(lán)牙帅刊，手機(jī)wifi等2.4G的設(shè)備干擾，測(cè)試設(shè)備主從之間的距離漂问，設(shè)備之間存在障礙等因數(shù)都會(huì)影響測(cè)試結(jié)果赖瞒。
上面列出的測(cè)試值和理論值，可能實(shí)際環(huán)境中的測(cè)量數(shù)據(jù)吞吐量不一致蚤假。
干擾和傳輸/接收錯(cuò)誤會(huì)影響數(shù)據(jù)吞吐量（重試栏饮，數(shù)據(jù)丟失和連接事件關(guān)閉會(huì)導(dǎo)致吞吐量降低）。
但本文詳細(xì)分析了所有和速率相關(guān)的因素磷仰，在實(shí)際使用中袍嬉，大家可以自由DIY。

參考

https://mp.weixin.qq.com/s/12YaDn4sF5f3xTBYA9e2fA