Асинхронный логический транспорт, ориентированный на соединение

Введение

ACL — это неофициальная аббревиатура, обозначающая асинхронный логический транспорт Bluetooth, ориентированный на соединение. ACL используется как сокращение для обозначения одного из двух типов логического транспорта, определенных в базовой спецификации Bluetooth: либо BR/EDR ACL, либо LE ACL. BR/EDR ACL — это вариант логического транспорта ACL, используемый с базовой скоростью/повышенной скоростью передачи данных Bluetooth (BR/EDR, также известный как Bluetooth Classic), тогда как LE ACL — это вариант логического транспорта ACL, используемый с Bluetooth Low Energy (LE).

Транспорты ACL являются частью архитектуры транспорта данных Bluetooth.

Обратите внимание, что все определения терминологии, протоколов и процедур Bluetooth, включая ACL, определены в базовой спецификации Bluetooth. который публикуется организацией по разработке стандартов Bluetooth Special Interest Group (Bluetooth SIG).

Архитектура передачи данных Bluetooth

Раздел архитектуры базовой спецификации Bluetooth определяет ряд концепций, которые в совокупности составляют архитектуру передачи данных Bluetooth . Ключевыми среди этих концепций являются физический канал, физический канал, логический канал и логический транспорт. Определенные комбинации предназначены для использования в различных типах приложений, которые предъявляют особые требования к таким вопросам, как топология, синхронизация, надежность и использование радиоканала.

Логический транспорт LE ACL используется либо с логическим каналом LE-C, по которому передаются управляющие данные, либо с логическим каналом LE-U, который предназначен для пользовательских данных. Он основан на активном физическом канале LE и физическом канале пикосети LE. См. рисунок 1.

Рисунок 1. Логический транспорт LE-ACL в архитектуре транспорта данных Bluetooth.

Логический транспорт ACL BR/EDR используется либо с логическим каналом ACL-C для управляющих данных, либо с логическим каналом ACL-U для пользовательских данных, и он основан на активном физическом канале BR/EDR и базовой пикосети BR/EDR. Физический канал или физический канал пикосети, адаптированный к BR/EDR. См. рисунок 2.

Рисунок 2. Логический транспорт ACL BR/EDR в архитектуре транспорта данных Bluetooth.

Оба варианта ACL предназначены для обеспечения надежной двунаправленной связи «точка-точка».

ЛЕ ACL

Обзор

Центральное устройство Bluetooth LE может установить соединение с рекламным периферийным устройством, отвечая на полученный рекламный пакет с возможностью подключения с помощью PDU, который запрашивает соединение. В запросе указывается ряд параметров. Среди этих параметров - интервал соединения , тайм-аут контроля , задержка периферийных устройств и карта каналов .

Параметр интервала соединения определяет, как часто в миллисекундах радиостанция может использоваться для обслуживания этого соединения. Всякий раз, когда таймер интервала соединения истекает, событие соединения считается, что начинается, и в этот момент центральное устройство в соединении может передать пакет канального уровня. В начале каждого события соединения используемый радиоканал выбирается с помощью процедуры, известной как адаптивное скачкообразное изменение частоты .

Периферийное устройство, обладающее теми же параметрами соединения, что и центральное устройство, знает, когда ожидать передачи пакетов от центрального устройства и по какому каналу. Если значение параметра подключения Peripheral Latency равно нулю, периферийное устройство должно ответить центральному устройству через 150 микросекунд (+/- 2 мкс) после получения последнего бита пакета центрального устройства. Затем центральное и периферийное устройства могут приступить к обмену дополнительным количеством пакетов, определяемым реализацией, в течение оставшейся части события соединения. Обратите внимание, что поведение периферийного устройства можно изменить с помощью ненулевого Peripheral Latency значения параметра .

На рисунке 3 показан базовый обмен пакетами во время двух событий соединения, где C>P указывает на передачу пакета центральным устройством, а P>C - периферийным устройством.

Рисунок 3. Базовый обмен пакетами через соединение Bluetooth LE-ACL (C обозначает центральное устройство, P обозначает периферийное устройство)

Пакеты, которыми обмениваются через соединение LE ACL, содержат либо PDU данных LL, либо PDU управления LL, которые связаны с процедурами управления канального уровня. Если какое-либо из устройств не имеет данных для передачи и требуется передача пакета, оно должно отправить пустой PDU данных LL.

Параметр Supervision Timeout определяет максимальное время, которое может пройти между получением двух пакетов данных канального уровня, прежде чем канал будет считаться потерянным.

Периферийному устройству не требуется прослушивать пакеты от центрального устройства во время каждого события подключения. Параметр Peripheral Latency определяет количество последовательных событий подключения, в течение которых периферийному устройству не нужно прослушивать. Это дает периферийному устройству возможность экономить электроэнергию.

На рисунке 4 показано поведение периферийного устройства с задержкой периферийного устройства = 1, которое, следовательно, прослушивает только во время альтернативных событий подключения. Центральное устройство может передавать данные во время тех событий, когда периферийное устройство не прослушивает, но такие пакеты не будут получены и, следовательно, не будут подтверждены, что приведет к завершению события соединения.

Рис. 4. Соединение Bluetooth LE-ACL с задержкой периферийного устройства = 1 (C обозначает центральное устройство, P обозначает периферийное устройство).

Подтверждение и управление потоком

Пакеты данных канального уровня содержат три важных поля, которые способствуют надежности связи. Эти поля называются порядковым номером (SN), следующим ожидаемым порядковым номером (NESN) и полем дополнительных данных. Все три этих поля являются однобитовыми, и их использование обеспечивает систему подтверждений и метод проверки правильного порядка полученных пакетов.

Связь начинается с того, что центральное устройство (устройство A на рисунке 5) отправляет пакет данных канального уровня, в котором SN и NESN установлены на ноль. С этого момента при каждом обмене пакетами, если все в порядке, значение поля SN, установленное Устройством А, будет чередоваться между нулем и единицей. Поэтому другое устройство (Устройство B) всегда знает, каким должно быть значение SN следующего пакета, который должен быть получен, и проверяет это.

Если устройство B получает пакет от устройства A с ожидаемым значением SN, оно отвечает пакетом данных канального уровня, в котором для NESN установлено логическое значение NOT(SN). Так, например, если полученное значение SN было 1, то NESN в ответе будет 0.

Когда устройство A получает ответ от устройства B со значением NESN, которое устройство A намеревается использовать в качестве SN в своем следующем пакете, устройство A воспринимает это как подтверждение от устройства B, подтверждающее, что оно правильно получило последний переданный пакет. Рисунок 5 показывает это.

Рисунок 5 – Успешный обмен пакетами Bluetooth на канальном уровне

Если Устройство B получает пакет с неправильным значением SN, оно предполагает, что пакет представляет собой повторную передачу предыдущего полученного пакета, подтверждает его, но не передает в стек для дальнейшей обработки.

Если устройство A получает неожиданное значение NESN в ответе от устройства B или вообще не получает ответа, оно повторно отправляет пакет с тем же значением SN, которое использовалось изначально. Различные реализации контроллера могут реализовывать различные алгоритмы относительно того, сколько раз необходимо выполнить повторную отправку, прежде чем связь окажется неудачной. См. рисунок 6.

Рисунок 6. Повторные передачи канального уровня Bluetooth.

Каждый пакет содержит поле CRC, а зашифрованные пакеты также содержат поле MIC. При получении пакета канальный уровень проверяет CRC и, если он присутствует, MIC. Если любая проверка не удалась, пакет не подтверждается, и это обычно приводит к тому, что отправитель пакета повторно отправляет его. См. рисунок 7.

Рисунок 7 – Поведение канального уровня Bluetooth при возникновении сбоя CRC

Использование канала

LE-ACL использует схему расширения спектра, известную как адаптивное скачкообразное изменение частоты . В начале каждого события подключения происходит скачкообразная перестройка частоты , при этом один из 37 радиоканалов общего назначения Bluetooth LE выбирается из набора доступных каналов с помощью алгоритма выбора канала . Затем каждое устройство в соединении переключится на выбранный канал, и с течением времени и серии событий подключения связь будет осуществляться с использованием часто меняющейся серии различных каналов, распределенных по диапазону 2,4 ГГц, тем самым значительно снижая вероятность возникновения коллизий. .

Карта каналов поддерживается центральным устройством, а также может поддерживаться периферийным устройством. Это таблица данных, в которой указано, какие каналы доступны для использования, а какие нет. Реализации помечают каналы как используемые или неиспользуемые в зависимости от того, насколько хорошо каждый канал работает с точки зрения ошибок и признаков помех. Неиспользуемые каналы не выбираются алгоритмом выбора каналов. Таким образом, адаптивное скачкообразное изменение частоты динамически настраивает каналы, используемые для активной связи, в соответствии с преобладающими радиочастотными условиями в окружающей среде.

Управление ссылками

Определен ряд процедур управления, касающихся соединений LE ACL. Подборка примеров представлена ​​в таблице 1.

Таблица 1. Примеры процедур управления канальным уровнем

Процедура контроля	Описание
Обновление соединения	Позволяет центральному или периферийному устройству запрашивать изменения параметров соединения, интервала соединения, задержки периферийного устройства и тайм-аута контроля.
Обновление карты каналов	Позволяет центральному устройству передавать последние данные карты каналов на подключенное периферийное устройство.
Шифрование	Позволяет центральному или периферийному устройству включать шифрование пакетов.
Обмен функциями	Позволяет центральному или периферийному устройству инициировать обмен функциями канального уровня, которые поддерживает каждое устройство, закодированными в виде растрового поля.
Периодическая передача синхронизации рекламы	Позволяет центральному или периферийному устройству передавать информацию о синхронизации периодической рекламы, относящуюся к обнаруженному периодическому рекламному потоку, на другое устройство через соединение LE ACL.
Порядок создания СНГ	Позволяет центральному устройству создавать подключенный изохронный поток (CIS) с периферийным устройством.
Запрос управления мощностью	Позволяет одному узлу запросить у другого узла настройку уровня мощности передачи.
Отчеты о классификации каналов	Позволяет периферийному устройству сообщать данные классификации каналов подключенному центральному устройству.

Субрейтовые соединения

Субрейтинговые соединения — это соединения LE ACL, которым назначены дополнительные свойства и которые ведут себя по-разному. Дополнительные свойства называются коэффициентом субставки , базовым событием субставки и номером продолжения .

Свойства подключения с пониженным рейтингом предоставляют механизм для указания того, что только определенное подмножество событий подключения должно активно использоваться подключенными устройствами, при этом радиостанция не используется в других событиях подключения. Таким образом, соединение с субрейтингом может иметь короткий интервал соединения ACL, что обеспечивает низкую задержку на уровне приложения, но при этом имеет низкий рабочий цикл.

Рисунок 8 иллюстрирует основные понятия, относящиеся к соединениям с субклассами.

Рисунок 8. Базовая концепция подключения Bluetooth LE с пониженным классом мощности.

Здесь мы видим, что только одно из каждых пяти событий подключения используется либо центральным, либо периферийным устройством. Остальные четыре пропускаются, поэтому во время этих событий радиоактивности нет. Это соотношение использованных и пропущенных событий подключения определяется параметром коэффициента субрейта , и в этом примере он установлен на 5.

Для субрейтинговых соединений предусмотрен ряд специальных процедур управления канальным уровнем, определенных для их использования. Например, существует процедура обновления параметров соединения с субрейтингом, которая работает иначе, чем общая процедура обновления соединения. Крайне важно, что изменения параметров соединения с пониженным рейтингом могут быть применены практически мгновенно, тогда как общие изменения параметров соединения могут занять значительное время, чтобы вступить в силу. Таким образом, преимущество соединений с пониженной номинальной мощностью заключается в том, что постоянные соединения, которые имеют низкий рабочий цикл и потребляют мало энергии, могут быть установлены и переключены на соединение с высоким рабочим циклом и высокой пропускной способностью без задержки, которую мог бы заметить любой пользователь. Эта возможность особенно применима в некоторых сценариях LE Audio, например, со слуховыми аппаратами и смартфонами.

В документе «Улучшения функций Bluetooth Core версии 5.3» есть обширная глава, посвященная теме соединений с пониженной номинальной мощностью, и этот документ рекомендуется в качестве источника дополнительной информации.

BR/EDR ACL

Обзор

Связь с использованием логического транспорта ACL BR/EDR аналогична варианту ACL LE и обеспечивает асинхронный механизм связи «точка-точка» для обмена данными между центральным устройством и периферийным устройством.

Когда устройство BR/EDR присоединяется к пикосети, автоматически создается логический транспорт ACL по умолчанию. Другие логические типы транспорта (например, SCO - BR/EDR, синхронные, ориентированные на соединение) между одной и той же парой устройств зависят от ACL по умолчанию, и если он удаляется, то и другие логические транспорты также удаляются.

Соединения ACL BR/EDR используют временные интервалы, определенные базовым физическим каналом. Центральные и периферийные устройства попеременно передают и принимают в течение подмножества этих временных интервалов, выделенных реализацией. Синхронным логическим транспортным средствам предоставляется приоритет, так что соединения BR/EDR используют только те временные интервалы, которые не были зарезервированы для синхронной связи.

Шесть типов пакетов определены для базовой скорости Bluetooth (BR) и называются DM1, DH1, DM3, DH3, DM5 и DH5. Повышенная скорость передачи данных Bluetooth (EDR) определяет еще шесть типов пакетов: 2-DH1, 3-DH1, 2-DH3, 3-DH3, 2-DH5 и 3-DH5. Тип пакета AUX1 определен для использования при тестировании.

Соединение ACL BR/EDR устанавливается периферийным устройством, осуществляющим пейджинговое соединение с центральным устройством. Центральное устройство выполняет сканирование страниц .

Благодарности и заказ

1-битные поля заголовка ARQN и SEQN используются для обеспечения положительных или отрицательных подтверждений и проверки правильности порядка полученных пакетов.

Управление потоком

Буфер RX, связанный с соединениями ACL BR/EDR, может переполниться. Поле заголовка FLOW используется для обеспечения простого механизма управления потоком данных со значениями в ответах, указывающими STOP или GO.

Использование канала

Адаптивная перестройка частоты (ответственность базового физического канала) действует при использовании логического транспорта ACL BR/EDR, при этом канал выбирается при каждом событии приема или передачи. Для использования с Bluetooth BR/EDR определены 79 каналов, и определено несколько различных возможных шаблонов переключения.

Управление ссылками

Протокол диспетчера каналов (LMP) определяет ряд типов PDU, которые позволяют осуществлять контроль и согласование деталей логического транспорта ACL BR/EDR. PDU LMP передаются по логическому каналу ACL-C.

Внешние ссылки

• Bluetooth SIG — веб-сайт специальной группы по интересам Bluetooth
• Список всех спецификаций Bluetooth
• Спецификация ядра Bluetooth версии 5.2. Обзор функций.
• Базовая спецификация Bluetooth 5.3. Документ об усовершенствованиях функций