一个带BLE的项目中，有个需求是通过手机升级设备的单片机程序，单片机通过CC2640R2F间接和手机通信。本文记录了调试过程中提升BLE吞吐速率的一些方法，能力有限，如有错误，欢迎指正。

       由于BLE的低功耗特性，每个连接事件可以交换一次数据，一次连接事件仅能传输20字节有效数据，故对于大数据量传输来说，吞吐量是非常低的。假设每次传输的升级包数据是128字节，连接间隔是30ms，每次传输16字节有效数据，那么需要8次连接事件，即最快240ms才能发送有效128字节升级包数据。假设升级包是64KB，并且不算其他时间，那么最快需要约123秒，显然太慢了。

       提升BLE通信吞吐量的方法有如下：

  1. 如果主从机都支持BLE4.2及4.2以上时，改大MTU，默认的MTU是23字节，用户可用的字节数是MTU-3字节。这样就可以在一次连接事件中交换更多数据。注意，MTU交换请求只能由Client端主动发起。
  2. 减小连接间隔和从机延迟。连接间隔是指主从机每隔多久交互一次数据，即使应用没有数据交互，也会有空包数据进行交互。从机延迟是指主机发送的数据，从机能忽略几次，如果改成0，那么从机收到数据后必须应答主机。
  3. 如果主从机都支持蓝牙5，那么可以使用2Mbps速率进行通信。

       Master端需要在应用上尽可能地减小包与包之间的间隔，即减小空包(Empty PDU)的传输。Client端则结合了前面三种优化方法来提升升级速度：

  • 将MTU从23改大到185，实际上程序里使用的是150。图4-3和图4-4分别是MTU修改前后的MTU交换抓包截图。
  • IOS的连接参数有如下要求，一般最小连接间隔为30ms。
Interval Max * (Slave Latency + 1) <= 2 s
                 Interval Min >= 20 ms
                 Interval Min + 20 ms <= Interval Max
                 Slave Latency <= 4
                 ConnSupervisionTimeout <= 6 s
                 Interval Max * ( Slave Latency + 1) * 3 < ConnSupervisionTimeout
  • 开启2Mbps速率通信，但主要还是取决于主机端是否支持蓝牙5，如果主机不支持蓝牙5，那么会采用默认的通信速率。

android ble高性能传输 ble数据最大传输_BLE

图1  MTU交换(修改前)

android ble高性能传输 ble数据最大传输_数据_02

图2  MTU交换(修改后)

android ble高性能传输 ble数据最大传输_BLE升级_03

图3  MTU修改前交互升级数据

android ble高性能传输 ble数据最大传输_BLE_04

图4  MTU修改后交互升级数据

       图3是MTU修改前的抓包数据，可以看到，每次连接间隔才交换1次数据，交互一包数据所需时间较长；图4是修改MTU后的抓包数据，虽然MTU改大了，但实际上BLE在L2CAP层上会分片发送27字节数据，只不过可以在一次连接间隔内交互多次数据。注意，对于MTU修改前，Master发送一次数据然后Slave应答一次就是一次连接事件，由图3可知，设置的连个间隔是30ms；对于MTU修改后，一个连接间隔中，不一定Master发送一次数据然后Slave应答一次，在一次连接间隔中，允许发生多个连接事件，由图4中数据交互时的时间差也能看出，2次连接时间的间隔不再是30ms了。

       实测优化后，BLE传输64KB升级包数据，支持蓝牙4.2的手机升级需要98秒，支持蓝牙5的手机升级需要62秒。这些时间还包含了CC2640R2F和单片机串口传输的时间，实际BLE传输所需时间是小于该时间的。当前MTU使用的是150，每次传输147字节协议数据，理论上极限吞吐速率约为147/0.03 = 4.78KB/s，实际上由于有Empty PDU的传输，因此实际上达不到这一速率。其实还可以继续改大MTU来进一步优化传输速度。