工研院資通所 溫穗安 周奕宇 陳峻志 佟興无 阮聖彰
智慧城市的建置與發展需在物聯網的通訊基礎之下，必須對功耗與傳輸頻寬進行取捨，才能設計出滿足系統的規格需求。智慧城市架構在物聯網的通訊基礎建設下，需要對通訊協定有基本的認知，才能就功耗與傳輸頻寬進行取捨，滿足系統設計規格需求。基於傳統廣域網路(WAN)耗電且物聯網具低資料傳輸量的應用特性假設，因而提出LPWAN（Low-Power Wide-Area Network，低功率廣域網路）做為實現智慧城市的骨幹通訊架構，導致群雄並起爭取成為物聯網通訊標準的局勢。然而不管採用哪種通訊協定，傳輸功耗正比於傳輸量以及傳輸距離是共通的原理。
易立信(Ericsson)最早在1994年提出建構一短距離無線通訊連線，期望透過標準化的通訊規範，在短距離通訊以無線方式取代有線連線。在1998年，IBM、Intel、Nokia、Toshiba等當時知名龍頭科技大廠紛紛跟進，與易立信一同創立Bluetooth(藍牙) SIG(Special Interest Group)協會[1]，期望在短距離範圍內建立一個低成本、低功耗、可以任意無線連線之通訊技術標準。至今藍牙熱潮仍持續加溫，藍牙通訊技術拓展至各種應用層次，行動裝置(手機)、工業IT裝置(電腦、滑鼠)、休閒娛樂(耳機)、醫療保健、運動健身、感測器物聯網等眾多領域。搭上萬物聯網的浪潮，與2014年低功耗藍牙(Bluetooth Low Energy, BLE)4.2規範發表，藍牙的技術與應用已是短距離無線通訊最廣泛被使用的標準之一。
在2016年，藍牙通訊聯盟(Bluetooth SIG)發布藍牙5.0[1]技術規格，較於藍牙4.2，藍牙5.0不論是在傳輸速度、傳輸距離或是傳輸資料量上均有提升，傳輸速度能提升是因為擁有藍牙4.2的兩倍帶寬，能允許PHY 2Mbps的高傳輸模式[2-3]。本篇將以BLE 4.1/5 開發平台為主軸，簡介影響應用資料傳輸頻寬的參數，接著介紹BLE開發平台以及實驗機制和結果。
低功耗藍牙傳輸資料量
兩個裝置間無線傳輸速度跟應用面相關，也與當時傳輸環境有關，分別說明如下：(A)藍牙運行在2.4GHz頻段，無線傳輸必須考慮其他訊號干擾狀況，例如WiFi訊號。傳輸距離遠、訊號干擾較大，較容易掉資料，也影響實際資料可傳輸速度；(B)藍牙通訊聯盟(Bluetooth SIG)制訂藍牙通訊規範，但是不同科技廠商實現(Implementation)方式不盡一樣，因此不同BLE晶片商方案，其效能也不會相同。假若有一份180KB的資料需要傳送，裝置實際傳輸速度只到3KB/s，也就是需要約1分鐘完成資料傳遞，拉高實際傳輸速度必定可以縮短傳輸資料耗時，端看使用者是否可以接受。在接下來小節裡，我們整理幾項影響BLE實際傳輸速度之因素[4]。
1. 應用資料吞吐量理論計算公式
計算BLE應用資料吞吐量(Throughput)公式[4]，如公式(1)。
其中，CI，Connection Interval，表示BLE裝置資料傳遞時間間隔；L，代表每一個BLE封包(packet)含應用資料大小；E，表示在每一次的資料傳遞(connection event)內可傳遞封包數量。
2. Connection Interval
藍牙連接過程中，所有的數據通信都在Connection Event中進行，而沒有進行數據通信的時間稱之為Sleeping，Connection Interval是由Connection Event 和Sleeping兩種狀態時間加總而來，參考圖1 示意圖。調整Connection Interval即決定了Master端和Slave端進行資料交換Connection Event所需的間隔時間。Connection Interval須以1.25ms為單位，可設定的範圍在7.5ms~4s之間，若時間設定越長，則BLE進行資料傳遞需間隔越久的時間。
圖1 Connection Interval/Connection Event示意圖3. ATT MTU
ATT是Attribute Protocol的簡稱，是應用層的線路協議，而ATT MTU(Maximum Transmission Unit)代表的是ATT Packet最大可傳輸的資料長度，在Master裝置和Slave裝置建立連線後，會由Client發起進行交換MTU資訊的請求，以確保兩端ATT Packet傳輸資料長度相同。表1 為一個Uncoded LE data packet的資料格式[2]，其中ATT MTU所能影響的即為ATT Data所能傳輸的資料量，而在Connection Interval固定的情況下，每次Connection Event所能傳遞的封包(packet)數量是有限制的，因此若是單一封包所能傳遞的ATT Payload越大，資料傳遞的吞吐量也會上升。
表1 BLE Uncoded LE data packet的資料格式[2]
4. Maximum number of packets per connection interval
在一個Connection Event時間內能夠進行多個封包的資料傳輸，然而在不同的作業系統或裝置下會有不同的最大傳輸量限制，以Android為例Nexus系列裝置能夠允許在每個Connection Event中傳遞6個封包，而iPhone或Macbook等搭載iOS的裝置在每個Connection Event中能傳遞4個封包，每個Connection Interval能傳遞的最大封包數量會直接影響到每次Connection Event的資料傳輸量，能允許的封包數量越多，吞吐量也會越大。
5. Receiver端的影響
BLE應用資料傳輸頻寬，除了前面提到BLE晶片實作方案因素之外，另一個決定因子是要看接收端的能力。在討論BLE資料吞吐量時，若手機/平板(Android or iOS)擔任receiver端的角色，其韌體設計也必須要考慮進去。而Android 或 iOS作業系統不斷更新，其穩定性與效能也不斷精進，Connection Interval的最小數值，在各個Android 或 iOS版本皆不盡相同[5]，本文不特別針對此議題進行探究。
測試與驗證
1.實驗環境介紹
在本章節當中，我們將以Nordic Semiconductor[6] BLE硬體平台方案作為主軸，調整BLE韌體相關參數設定，並實測資料傳輸量數據。本文選擇兩組BLE開發平台，一為工研院自製的BLE開發平台，如圖2左側所示，其名為BLEIoT。BLEIoT平台是以「MDBT40 nano (BT4.1 Module)藍牙系統模組[7]」方案作為設計參考，核心為內含支援藍牙無線傳輸通訊協定嵌入式2.4GHz收發器之系統單晶片「nRF51822 SoC」[8]，其主要組成單元包括一個位於AHB匯流排之32位元處理器(ARM Cortex-M0)[9]、16KB隨機存取記憶體(Random Access Memory)、256KB非揮發性記憶體(Non-Volatile Memory, NVM)；第二組藍牙開發平台為Raytac MDBT42Q-DB[10]，如圖2右側所示。MDBT42Q-DB核心為內含支援藍牙5傳輸通訊協定之「nRF52832 SoC」[11]系統單晶片，包括一32位元處理器(ARM Cortex-M4F)[9]、64KB隨機存取記憶體、512KB非揮發性記憶體。上述兩組實驗平台核心差異彙整資料，如表2。
圖2 BLE藍牙開發板表2 BLE藍牙實驗平台特性比較表
2.實驗流程簡介
本文為計算藍牙傳輸頻寬最大傳輸速度，實驗設計上是由BLE開發平台硬體端UART介面負責接收來自電腦端程式產生的資料，同時並透過BLE傳送至手機端「nRF UART v2.0」APP[12]顯示資料，若BLE傳輸速度無法負荷UART傳輸的資料量，會產生「BLE_ERROR_NO_TX_BUFFERS」隨即導致藍牙斷線，此訊息出現代表BLE已無法正確地傳遞資料，為了找到BLE UART最大傳輸量，我們在測試程式中逐步增加UART傳遞的Bytes數，2直到藍牙出現斷線。藍牙頻寬實驗截圖，如圖3；實測實驗手機端規格資訊，彙整於表3；傳輸頻寬之實驗步驟，彙整於表4。
圖3 藍牙模組頻寬實驗截圖3.應用資料吞吐量實驗數據
根據第二章節BLE應用資料吞吐量計算公式，資料傳輸頻寬與相鄰兩個BLE Connection間之時間間隔成反比、與每個封包可包含應用資料量大小成正比、也與每次Connection內可傳輸之封包數量成正比。本文以Connection Interval(CI)、與ATT MTU大小為變數，實際在BLEIoT與MDBT42Q-DB BLE藍牙開發平台，實測應用資料吞吐量實驗數據，相關變數設定與實測數據，整理於表5。實驗結果分別說明如下：
3.1 Connection Interval參數之影響
當拉長相鄰兩個BLE event時間間隔時，BLE應用資料吞吐量跟著降低，例如：
- CASE1 vs. CASE2：
CI拉長為10倍之時間間隔，BLEIoT 吞吐量約減少為原本之31%@ATT MTU=23；MDBT42Q-DB 吞吐量約減少為原本之66%@ATT MTU=23。
- CASE3 vs. CASE4：
MDBT42Q-DB 吞吐量約減少為原本之85%@ATT MTU=247。
換句話說，當縮短相鄰兩個BLE event時間間隔時，BLE應用資料吞吐量跟著增加，例如：
- CASE2 vs. CASE1：
CI縮短為1/10之時間間隔，BLEIoT 吞吐量約增加為原本之1.45倍@ATT MTU=23；MDBT42Q-DB 吞吐量約增加為原本之2.96倍@ATT MTU=23。
- CASE4 vs. CASE3：
MDBT42Q-DB 吞吐量約增加為原本之6.78倍@ATT MTU=247。
3.2 單一封包應用資料大小參數之影響
在Connection Interval固定的情況下，僅增大單一封包應用資料量之大小，BLE應用資料吞吐量跟著提升，例如：MDBT42Q-DB開發平台，ATT MTU 最大設定為247 Bytes，相較於ATT MTU設定為23 Bytes，ATT MTU約增加為原本之10.94倍,， MDBT42Q-DB 吞吐量約增加為原本之3.05倍@CI=40ms(CASE3 vs. CASE1)；或是約增加為原本之1.33倍@CI=400ms(CASE4 vs. CASE2)。
3.3技術規範演進
在BLE 5技術規範，ATT MTU最大數值可為247 Bytes，對比於BLE 4.1技術規範最大ATT MTU為23 Bytes，同時考慮CI對傳輸速度效能之影響，本文實測由CASE2之CI=400ms縮短為1/10至CASE1之CI=40ms（ATT MTU同為23 Bytes），BLE應用資料吞吐量約增加為2.96倍；再將ATT MTU提高約10.94倍至247 Bytes（CASE3），BLE應用資料吞吐量約增加為3.05倍；CI縮短與ATT MTU增大之綜合效應（即CASE3 vs. CASE2），實驗數據得到吞吐量約可提升為9.04倍。
表5 藍牙傳輸吞吐量實驗數據整理
本文以BLE 4.1及BLE 5平台為實驗載具，探討影響物聯網傳輸頻寬之要素，包括：CI（Connection Interval，資料傳遞時間間隔）及ATT MTU（Maximum Transmission Unit，ATT packet最大可傳輸的資料長度），並實際量測資料傳輸頻寬；本文實驗數據顯示縮短CI及盡可能增加ATT MTU於BLE 5實驗平台之應用資料吞吐量約可提升為9倍。對應各種使用者之需求，建議系統開發人員(韌體/硬體)可評估適當硬體方案與韌體參數，開發符合應用需求與經濟效益之方案。
參考文獻
[1] Bluetooth SIG, [Online]. Available: https://www.bluetooth.com/
[2] Bluetooth 5 speed: How to achieve maximum throughput for your BLE application. [Online]. Available: https://www.novelbits.io/bluetooth-5-speed-maximum-throughput/
[3]前景無限的藍牙5 [Online]. Available : https://www.anritsu.com/zh-TW/test-measurement/solutions/bluetooth5-02/index
[4] Carles Gomez, Ilker Demirkol, Josep Paradells, “Modeling the Maximum Throughput of Bluetooth Low Energy in an Error-Prone Link,” IEEE COMMUNICATIONS LETTERS, VOL. 15, NO. 11, November 2011.
[5] Kianoosh Karami, “Maximizing BLE Throughput on iOS and Android,” [Online]. Available : https://punchthrough.com/blog/posts/maximizing-ble-throughput-on-ios-and-android
[6] The Nordic Semiconductor website. [Online]. Available : https://www.nordicsemi.com/eng/Products/Bluetooth-Smart-Bluetooth-low-energy
[7] MDBT40 nano (BT4.1 Module). [Online]. Available: http://www.raytac.com/products.php?subid=16
[8] Nordic nRF51822 SoC datasheet, [Online]. Available : https://www.nordicsemi.com/chi/node_176/Bluetooth-R/nRF51822
[9] The ARM website. [Online]. Available: http://www.arm.com/
[10] MDBT42Q Module (nRF52810) – RAYTAC, [Online]. Available: http://www.raytac.com/
[11] Nordic nRF52832 SoC datasheet, [Online]. Available : http://infocenter.nordicsemi.com/pdf/nRF52832_PS_v1.0.pdf
[12] nRF UART 2.0 APP, [Online]. Available: https://play.google.com/store/apps/
相關連結: 回175期_智慧城市智能感知與物聯網專輯
