丁福建，劉倩蕓，王鋼，劉文文，林敏

（上海大學(xué)通信與信息工程學(xué)院特種光纖與光接入網(wǎng)重點實驗室，上海 200444）

藍(lán)牙自提出的23年以來，已成為普適計算以及物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things，IoT）應(yīng)用程序中的一種廣泛使用的技術(shù)。低功耗藍(lán)牙（Bluetooth Low Energy，BLE）信標(biāo)作為其中的重要部分，在IoT 開發(fā)中極具發(fā)展前景，現(xiàn)已部署上億BLE 信標(biāo)設(shè)備[1]。

由于低成本、低功耗等突出優(yōu)勢，低功耗藍(lán)牙信標(biāo)已被廣泛地用于IoT 中，例如商場中通過信標(biāo)發(fā)送優(yōu)惠券、通過信標(biāo)使用指紋識別定位BLE 設(shè)備、博物館指導(dǎo)、室內(nèi)定位與跟蹤、幫助盲人和殘疾人、管理智能家庭等[2]。蘋果公司推出的iBeacon 和谷歌公司推出的Eddystone 使用BLE 的不可連接廣播作為信標(biāo)[3-4]。它們均使用標(biāo)準(zhǔn)的BLE MAC 層協(xié)議作為其BLE 信標(biāo)設(shè)備控制器的MAC 層解決方案。但這種解決方案在BLE 信標(biāo)的使用場景中卻存在一些問題，傳統(tǒng)廣播（Legacy Advertising）的通信范圍較小，無法滿足遠(yuǎn)距離傳輸?shù)囊?，冗余的功能會增大硬件資源的消耗，因此需要提出更符合實際應(yīng)用的定制化MAC 層協(xié)議。

該文針對iBeacon、Eddystone 的應(yīng)用場景，在BLE5.0 標(biāo)準(zhǔn)MAC 層協(xié)議的基礎(chǔ)上提出了一種精簡的低功耗藍(lán)牙MAC 協(xié)議，為BLE 信標(biāo)設(shè)備提供了低成本、低功耗、4 倍廣播距離的MAC 層實現(xiàn)方案。

1 協(xié)議設(shè)計

1.1 協(xié)議功能設(shè)計

低功耗藍(lán)牙MAC 層協(xié)議的狀態(tài)機(jī)如圖1（a）所示，有就緒態(tài)、廣播態(tài)、掃描態(tài)、發(fā)起態(tài)和連接態(tài)五個狀態(tài)[5]。在該文協(xié)議的應(yīng)用場景中，信標(biāo)設(shè)備會以固定的時間間隔向周邊的信標(biāo)接收設(shè)備發(fā)送攜帶少量信息的廣播。由于一個只發(fā)廣播的設(shè)備無需切換到標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議下的掃描態(tài)、發(fā)起態(tài)和連接態(tài)，因此協(xié)議的狀態(tài)機(jī)可以簡化為圖1（b）所示的狀態(tài)機(jī)，其中只含就緒態(tài)和廣播態(tài)兩個狀態(tài)。

圖1 狀態(tài)機(jī)對比

隨著狀態(tài)機(jī)的改變，精簡MAC 層協(xié)議的功能在BLE5.0 標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的基礎(chǔ)上也應(yīng)做出相應(yīng)改變。在多狀態(tài)機(jī)的處理上，BLE5.0 標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議需要對不同狀態(tài)機(jī)下的事件進(jìn)行調(diào)度和狀態(tài)跳轉(zhuǎn)，而該文協(xié)議只需保持在廣播態(tài)下工作，進(jìn)行定時廣播，無需調(diào)度其他事件。

在幀處理方面，BLE5.0 MAC 層需要設(shè)計數(shù)據(jù)發(fā)送和接收子系統(tǒng)，對發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。而精簡協(xié)議由于只發(fā)送廣播不進(jìn)行接收處理，在設(shè)計時只需數(shù)據(jù)發(fā)送子系統(tǒng)完成比特流的處理即可，其中包括組幀、產(chǎn)生CRC 校驗位、數(shù)據(jù)白化和編碼等模塊。因此BLE5.0 標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議中所需的AES-128 加密、過濾機(jī)制、白名單、確認(rèn)與流控、FEC 解碼器和跳頻算法等有關(guān)接收處理和連接狀態(tài)下的功能模塊可以移除。

經(jīng)重新設(shè)計后，精簡MAC 層協(xié)議在硬件實現(xiàn)時只需按主機(jī)的需要定時發(fā)送廣播事件以及設(shè)計發(fā)送子系統(tǒng)模塊、系統(tǒng)總線和物理層接口等相關(guān)模塊。

1.2 遠(yuǎn)距離廣播幀設(shè)計

在BLE5.0協(xié)議中，連接態(tài)和擴(kuò)展廣播的4倍通信范圍是在1 Mbps速率編碼的物理層(LE_Coded_PHY)下實現(xiàn)的，MAC 層對幀內(nèi)字段進(jìn)行卷積碼編碼和模式映射，從而提高接收機(jī)的抗干擾能力。在其中采用約束長度為4，編碼速率為1/2 的(2，1，3)卷積碼編碼器和s=8 的映射方式，卷積碼編碼器生成多項式如式（1）和式（2）[6-7]：

該文為實現(xiàn)long-range 傳統(tǒng)廣播功能并且與標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議兼容，使用與BLE5.0 標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議相同的(2，1，3)卷積碼編碼器和模式映射方式，除此外還對傳統(tǒng)廣播的幀結(jié)構(gòu)進(jìn)行更改。傳統(tǒng)廣播的幀結(jié)構(gòu)如圖2(a)所示，由前導(dǎo)碼(Preamble)、接入地址(Access Address)、負(fù)載報頭(Header)、負(fù)載(Payload)和CRC 校驗位組成。在實現(xiàn)傳統(tǒng)廣播時使用標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的幀結(jié)構(gòu)，不做改動；long-range 廣播幀則在傳統(tǒng)廣播幀結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上添加新字段，在幀結(jié)構(gòu)中加入編碼指示(CI)字段、編碼終止1(TERM1)和編碼終止2(TERM2)字段，如圖2（b）所示。

圖2 廣播幀幀結(jié)構(gòu)

long-range 廣播幀結(jié)構(gòu)分為前導(dǎo)碼、接入地址、由Header 和Payload 組成的協(xié)議數(shù)據(jù)單元PDU（Protocol Data Unit）、校驗位和3 個編碼指示字段共五部分。其中前導(dǎo)碼不進(jìn)行卷積碼編碼，在LE_Coded_PHY 下長度為80 個符號，由00111100 序列重復(fù)十次得到；接入地址為固定值0x8E89BED6；編碼指示(CI)長度為2 bits，用于指示編碼塊2 的模式映射方式；編碼終止1(TERM1)字段長度為3 bits，是編碼塊1 的編碼結(jié)束標(biāo)志位；編碼終止2(TERM2)字段長度為3 bits，是編碼塊2 的編碼結(jié)束標(biāo)志位。

2 模塊化設(shè)計

2.1 協(xié)議模塊結(jié)構(gòu)

根據(jù)協(xié)議的狀態(tài)機(jī)和功能，該文所設(shè)計的MAC層整體架構(gòu)如圖3 所示，由MAC 頂層狀態(tài)機(jī)、TIMER、發(fā)送子系統(tǒng)、隨機(jī)數(shù)生成模塊、信道選擇模塊、TX_RAM、寄存器、AHB_SLAVE 端口和物理層接口九部分組成，其功能如下：

圖3 MAC層整體架構(gòu)

1）AHB_SLAVE與處理主機(jī)MCU的AHB_MASTER端口相連，將上層主機(jī)的數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼后對寄存器內(nèi)的值進(jìn)行修改，并將需要發(fā)送的數(shù)據(jù)存在TX_RAM 中；

2）MAC 頂層狀態(tài)機(jī)根據(jù)上層主機(jī)寫入寄存器中的配置信息，對MAC 層的狀態(tài)和其他硬件模塊進(jìn)行控制；

3）TIMER 包含負(fù)責(zé)調(diào)度MAC 層事件的活動計時器和睡眠計時器；

4）信道選擇模塊用于廣播信道的切換；

5）發(fā)送子系統(tǒng)負(fù)責(zé)幀的比特流處理；

6）物理層接口與物理層相連，提供物理層所需要的控制信號。

發(fā)送子系統(tǒng)模塊對發(fā)送幀的比特流處理過程如圖4 所示，發(fā)送狀態(tài)機(jī)根據(jù)上層的配置，生成對其他模塊進(jìn)行控制的使能（enable_signal）、選擇（sel_signal）、有效信號（valid_signal）和幀內(nèi)的數(shù)據(jù)字段（pack_data）；序列化模塊由發(fā)送狀態(tài)機(jī)的有效信號和使能信號控制，對TX_RAM 中的數(shù)據(jù)進(jìn)行序列化處理；CRC 模塊對PDU 進(jìn)行處理，生成24 bits 的校驗位[8]；白化模塊是一個7 bits 的線性反饋移位寄存器；卷積碼編碼器僅在LE_Coded_PHY下使用，對幀內(nèi)的編碼塊進(jìn)行卷積碼編碼和模式映射[9-10]。

圖4 發(fā)送幀的比特流處理

比特流處理按以下流程進(jìn)行：

1）發(fā)送狀態(tài)機(jī)根據(jù)主機(jī)的配置生成控制信號和Header；

2）序列化模塊串行化TX_RAM 中的Payload 后與Header 組成PDU；

3）送至CRC 模塊生成校驗位；

4）將PDU 和CRC 校驗位輸入到白化模塊進(jìn)行白化處理(增加白噪聲，避免過長的連0 或連1)；

5）白化后的數(shù)據(jù)在卷積碼編碼映射模塊中，根據(jù)編碼使能信號(encoder_en)、編碼速率(encoder_rate)和編碼指示(ci)等信號決定對編碼塊進(jìn)行編碼和模式映射的方式[11]。

在發(fā)送子系統(tǒng)模塊中完成MAC 幀的比特流處理和組幀后，MAC 頂層狀態(tài)機(jī)根據(jù)計時器(TIMER)中的定時信息，將MAC 幀通過物理層接口發(fā)送至物理層，由物理層對MAC 幀進(jìn)行調(diào)制。MAC 層的整體處理流程圖如圖5 所示。

圖5 MAC層處理流程圖

2.2 RTL級實現(xiàn)與仿真

2.2.1 方案設(shè)計

RTL 級實現(xiàn)是用寄存器來描述電路的數(shù)據(jù)流方式，Verilog-HDL 代碼必須滿足可綜合的設(shè)計需求。在該文的仿真實驗中，聯(lián)合BLE5.0 的物理層和射頻模塊進(jìn)行協(xié)同仿真，在一套較為完善的通信系統(tǒng)中對精簡MAC 層協(xié)議進(jìn)行仿真驗證。

在仿真中，該文所設(shè)計的精簡MAC 層協(xié)議作為仿真中的廣播設(shè)備進(jìn)行廣播，定時發(fā)送廣播事件；掃描設(shè)備對廣播幀進(jìn)行掃描并解析。為驗證該文所設(shè)計的long-range 廣播功能，掃描設(shè)備增加了在LE_Coded_PHY 下對37、38 和39 號廣播信道進(jìn)行掃描的功能，以便對long-range 廣播進(jìn)行接收和比特流的處理。

2.2.2 仿真結(jié)果分析

以廣播設(shè)備發(fā)送long-range 廣播幀的仿真結(jié)果為例，圖6（a）是廣播設(shè)備在LE_Coded_PHY 下發(fā)送不可連接long-range 廣播的MAC 層部分信號仿真結(jié)果圖，MAC 層中的數(shù)據(jù)經(jīng)過比特流處理后得到longrange 廣播幀（o_pp_tx_data_out 信號），再以一定的廣播間隔發(fā)送。

圖6（b）為掃描設(shè)備在LE_Coded_PHY 下掃描long-range 廣播幀，并解析出幀內(nèi)各個字段的仿真圖。掃描設(shè)備解析出接收到的幀為一個不可連接的廣播幀；廣播地址為0x0000_0000_1234；負(fù)載數(shù)據(jù)為0xd609；幀內(nèi)各個字段的錯誤標(biāo)志信號(*_err)均為低電平。仿真表明接收到的不可連接long-range 廣播幀的各個字段均正確，且解析出的幀內(nèi)信息與廣播設(shè)備發(fā)送的相同。

圖6 long-range廣播幀仿真圖

結(jié)果顯示，精簡MAC 協(xié)議層的long-range 廣播幀通過物理層調(diào)制，經(jīng)射頻模塊發(fā)送出去后，掃描設(shè)備的射頻模塊、物理層和MAC 層能夠正確地接收、解調(diào)并將幀內(nèi)的各個字段和負(fù)載信息正確地解析出來，由此驗證了協(xié)議的long-range 廣播幀遠(yuǎn)距離通信的可行性。對于BLE5.0 中的其他類型廣播功能該文均已實現(xiàn)，由于篇幅有限，未將仿真結(jié)果呈現(xiàn)。

3 FPGA驗證與分析

3.1 驗 證

3.1.1 驗證平臺與流程

為驗證所設(shè)計的協(xié)議在電路上是否能夠?qū)崿F(xiàn)，還需要對精簡MAC 層協(xié)議進(jìn)行FPGA 驗證。使用PC 和芯片型號為Zynq-7035 的FPGA 板進(jìn)行聯(lián)合測試[12-13]。

圖7為該文所設(shè)計的FPGA驗證平臺，主要由PC、開源的UDP 協(xié)議和被測的精簡MAC 層協(xié)議組成[14]。其中PC 作為上位機(jī)，其IP 地址設(shè)為192.168.10.2，F(xiàn)PGA 板 的IP 地址 設(shè)為192.168.10.1；FIFO1 用于存儲UDP 協(xié)議解析出的負(fù)載數(shù)據(jù)；MAC(ADV)為被測的精簡MAC 層協(xié)議，為一個廣播設(shè)備；MAC(SCAN)為處理廣播幀的掃描設(shè)備；控制模塊（Control &FIFO2）作為廣播設(shè)備與掃描設(shè)備之間的接口；FIFO3 可存儲掃描設(shè)備解析出的負(fù)載數(shù)據(jù)。

圖7 FPGA驗證平臺

在測試過程中，PC 會將廣播幀的負(fù)載數(shù)據(jù)寫在UDP 報文的負(fù)載中，通過以太網(wǎng)發(fā)送到FPGA 板上，由UDP 協(xié)議解析出其中的負(fù)載數(shù)據(jù)并存入FIFO1中；當(dāng)FIFO1 中的數(shù)據(jù)量達(dá)到預(yù)設(shè)值時，廣播設(shè)備讀取FIFO1 中的數(shù)據(jù)并進(jìn)行MAC 層配置和比特流處理；組幀完成后發(fā)送到FIFO2 中，并產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號；掃描設(shè)備根據(jù)控制模塊的控制信號，讀取FIFO2 中的廣播幀并進(jìn)行解析，將解析出的負(fù)載數(shù)據(jù)存在FIFO3 中；UDP 協(xié)議讀取FIFO3 中的數(shù)據(jù)，存在UDP 報文負(fù)載中，發(fā)送至PC 進(jìn)行對比。通過判斷處理后的數(shù)據(jù)與發(fā)送的是否一致，以此驗證MAC 層功能的正確性。

3.1.2 FPGA驗證結(jié)果分析

為使分析結(jié)果更加直觀，該文使用特定ASCII 碼對應(yīng)的十六進(jìn)制數(shù)作為待處理數(shù)據(jù)。上位機(jī)發(fā)送的數(shù)據(jù)ASCII 碼000000001234shushushushushushushu shu 對應(yīng)的十六進(jìn)制數(shù)，這些數(shù)據(jù)作為UDP 報文的負(fù)載，通過以太網(wǎng)發(fā)送到FPGA 板。0000_0000_1234是廣播設(shè)備的廣播地址，shushushushushushushushu為負(fù)載數(shù)據(jù)。

在驗證過程中，使用Python 腳本向FPGA 板發(fā)送UDP 報文[15-16]。UDP 報文經(jīng)過UDP 協(xié)議、廣播設(shè)備（被測協(xié)議）和掃描設(shè)備處理后再通過FPGA 板上的UDP 協(xié)議發(fā)向PC 端，在此期間PC 端使用xcap 軟件進(jìn)行抓包。圖8 是UDP 報文的負(fù)載，也就是掃描設(shè)備解析后得到的廣播地址和負(fù)載數(shù)據(jù)，其中分號左側(cè)陰影部分為十六進(jìn)制數(shù)據(jù)，分號右側(cè)為十六進(jìn)制數(shù)對應(yīng)的ASCII 碼值。經(jīng)過對比，上位機(jī)Python 腳本發(fā)送的廣播地址和負(fù)載數(shù)據(jù)與xcap 抓包軟件所接收的數(shù)據(jù)相同，并且IP 地址也對應(yīng)。通過以上實驗可驗證精簡MAC 層協(xié)議RTL 級設(shè)計的正確性。

圖8 PC接收到的UDP包

3.2 FPGA資源分析

該文在Vivado 2018.3，芯片型號xc7z035ffg-676-2的實驗環(huán)境下進(jìn)行FPGA 綜合[17]。該文提出協(xié)議綜合后，使用了5 641 個LUT、11 076 個FF 和124 個IO；BLE5.0 標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議使用12 751 個LUT、14 646 個FF、1 個DSP 和156 個IO。由于傳統(tǒng)廣播是不進(jìn)行加密的，標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議在不考慮AES-128 模塊的情況下，使用8 206 個LUT、12 414 個FF、1 個DSP 和134 個IO。

表1 中列出了除去RAM（3 種情況下RAM 均設(shè)為1 kbytes，占 用FPGA的資源為2 176 個LUT 和8 256 個FF)情況下FPGA 綜合后的資源對比。該文所提出的精簡MAC 層協(xié)議只使用了FPGA 上的LUT和FF 兩種資源。經(jīng)計算，在不包含RAM 的情況下，與加密的BLE5.0 標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議相比，該文提出的協(xié)議可以節(jié)省67.2%的LUT、55.9%的FF 和1 個DSP 單元，比不加密的BLE5.0 標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議節(jié)省42.5%的LUT、32.2%的FF 和1 個DSP 單元。

表1 協(xié)議占用資源

4 結(jié)論

該文根據(jù)iBeacon 和Eddystone 的使用場景提出一種低成本、遠(yuǎn)距離、低功耗的精簡BLE5.0 MAC 層協(xié)議。通過RTL 級的仿真實驗，驗證了協(xié)議的longrange 廣播功能和標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的廣播功能；使用FPGA在實際電路中對該文提出的MAC 層協(xié)議的邏輯設(shè)計進(jìn)行驗證。在通信距離上，通過對廣播幀的編碼和模式映射，可超過傳統(tǒng)廣播4 倍；在FPGA 資源的消耗上，該協(xié)議與加密的BLE5.0MAC 層相比，節(jié)省了67.2%的LUT、55.9%的FF 和1 個DSP 單元，與不加密的BLE5.0MAC 相比，F(xiàn)PGA 資源節(jié)省了42.5%的LUT、32.2%的FF 和1 個DSP 單元。