測距/介面/RF全面大升級　藍牙Core 6.3關鍵技術升級解析

為提升藍牙技術能力，最新版本推出多項針對性強化功能。這些更新不僅提升高精度測距能力，使效能表現更加細緻，同時也確保主機控制器介面(HCI)具備未來擴充與相容能力，並統一射頻(RF)規範要求，進而降低設計複雜度並減少功耗。

藍牙通道探測內聯PCT傳輸提升測距效率

藍牙通道探測(Channel Sounding, CS)的內聯PCT傳輸(Inline PCTTransfer)，透過讓反射器將相位對齊的音調直接傳送至硬體處理流程，提升通道探測的準確性與運算效率。該機制藉由反射器調整音調相位，優化整體探測流程。反射器將不再透過HCI回報相位校正項(Phase Correction Term, PCT)的虛部(Q)資訊。此項改動可減少冗餘資料與傳輸開銷，進而提升通道探測速度與效率，特別適用於測距服務(Ranging Service, RAS)與測距設定檔(Ranging Profile, RAP)應用場景。

PHY專屬RTT精度強化藍牙測距能力

藍牙通道探測中的實體(PHY)層往返時間 (Round-Trip Time, RTT)精度功能，使裝置可針對不同實體層分別定義往返時間精度，而非僅依賴單一通用數值。透過新增PHY層專屬RTT參數與擴充功能結構，系統可選擇最佳PHY精度組合，在多PHY測距場景中提升精度、系統擴充性與互通性。

HCI位元遮罩擴充與容量提升

藍牙位元容量擴充(Running Out of Bits, ROOB)機制將支援命令位元遮罩從64位元組擴充至251位元組，並將低功耗事件遮罩從8位元組擴充至255位元組，以突破HCI架構容量限制。此設計為未來功能擴充提供更大協定空間，確保新增命令與事件可被識別，同時透過版本化命令與條件式支援規則維持向後相容性。

統一RF要求降低雙模設計負擔

藍牙ACP與C/I限值放寬機制，將BR/E DR的相鄰通道功率(Adjacent Channel Power, ACP)與載波干擾比(Carrier-to-Interference Ratio, C/I)限值，與LE1 Ms/s架構對齊，以統一藍牙經典版(Bluetooth BR/EDR)與藍牙低功耗(LE)之間的射頻規範。更新後的限制條件放寬了雙模無線電中不必要的設計約束，使發射與接收設計目標更為簡化，在不影響共存效能的前提下，實現更節能且更具彈性的射頻架構。

藍牙通道探測內聯PCT傳輸機制

藍牙通道探測中的相位測距(PBR)透過多頻率下的相位偏移估算距離，其基本關係可由傳播延遲表示τ=2d/c：

θ(f)=2πfτ=2π(2df/c)

因此，相位變化θ(f)與往返距離2d及頻率f成正比。

然而實際系統中，由於反射器與啟動器各自使用獨立本地振盪器(Local Oscillator, LO)，量測相位會額外包含與通道無關的裝置偏移。

因此接收端觀測到的相位可分解為：

●通道相位θ_CH(f)

由訊號在空氣中傳播產生，包含距離資訊

●本振偏移Δθ_LO(f)

由啟動器與反射器之間的LO差異造成，不包含距離資訊

Δθ_LO(f)=θ_LO,Initiator(f)−θ_LO,Reflector(f)

因此，在雙向訊號交換過程中，量測到的相位可表示為：

→反射器的量測結果：θ_REFL(f)=θ_CH(f)+Δθ_LO(f)

→啟動器的量測結果：θ_INIT(f)=θ_CH(f)−Δθ_LO(f)

藍牙裝置在進行PBR訊號交換時，需盡可能恢復由通道造成的相位資訊，並消除本地振盪器偏移所造成的影響，以提升距離量測準確度。

傳統的雙向相位抵消(數位後處理)

藍牙通道探測中的內聯相位校正項(IPT)傳輸機制，透過提升相位資料精度，以提高距離測量的準確性與效率。其核心概念在於提升PCT的完整性與準確性，並將相位處理從數位域前移至反射器的類比前端。

在IPT機制下，反射器可對接收訊號進行內聯式類比相位預補償，使本地振盪器(LO)偏移能夠在啟動器進行量測之前即被即時消除。相較於傳統需在接收端進行數位抵消的方式，IPT可減少數位處理誤差與LO漂移造成的影響，同時降低資料回報開銷並提升測距效率，使系統能在相同時間內完成更多藍牙通道探測(CS)程序。

在未導入IPT的架構下，系統透過雙向量測與數位後處理消除LO偏移：

→反射器量測(正向)：θ_REFL(f)=θ_CH(f)+Δθ_LO(f)

→啟動器量測(回傳)：θ_INIT(f)=θ_CH(f)−Δθ_LO(f)

→數位域消除：θ_REFL(f)+θ_INIT(f)=2θ_CH(f)

Δθ_LO(f)項相互抵消，得到用於距離估算的純淨通道相位。

而這種傳統方法的局限性在於：

→後處理延遲：需等待雙向量測完成後進行數位抵消

→資料開銷較高：反射器必須透過HCI事件回報每個音調(tone)及每條天線路徑的完整複數PCT資料(I與Q分量)，因此會產生較高的控制平面資料開銷

→演算法負擔：啟動器必須結合兩次量測結果，才能重建2θ_CH(f)

IPT機制：類比相位預補償

本變更請求中引入的藍牙通道探測IPT傳輸功能，將LO偏移量抵消從數位域轉移到了反射器類比前端。

反射器利用測得的相位θREFL(f)來調整其輸出訊號的相位，從而有效地將接收到的相位進行相干轉發。

啟用IPT時的相流

●反射器(未更改)

θ_REFL(f)=θ_CH(f)+Δθ_LO(f)

●反射器(關鍵變更)

反射器不再使用自身的本振相位(θ_LO,R)進行傳輸，而是使用與接收訊號相位對齊的相位反射器：

φ_TX,R=θ_LO,I+θ_CH(f)(與接收相位對齊的相干轉發結果)

反射器無需瞭解啟動器的本地振盪器(LO)相位；透過相干轉發，本振項會相互抵消。

●啟動器經過IPT補償的訊號：

該相位正向傳輸的訊號沿通道回傳(疊加另一個θCH)，並啟動器絕對相位φRX,I抵達啟動器：

φ_RX,I=θ_LO,I+2θ_CH(f)

●啟動器

在使用其自身的本振(θ_LO,I)進行下變頻後啟動器相位為：

θ_INIT,IPT(f)=2θ_CH(f)

在進行數位測量之前，Δθ_LO(f)項已在類比域中被消除。

●反射器報告(簡化版)

反射器其測得的相位進行補償，因此報告的PCT相位為零(Q=0)。I分量僅包含訊號振幅。與此同時啟動器PCT現在包含直接測得的2θ_CH(f)值。

比較分析：傳統方法與基於IPT的方法

該表總結了傳統方法與支援IPT的方法在以絕對相位為參考標準時的相流和系統行為。

技術優勢與實施注意事項

技術優勢：

●簡化啟動器處理流程——啟動器可直接取得乾淨的2θ_CH(f)量測結果，降低演算法複雜度與處理延遲。

●資料負載降低——反射器回報的PCT資料可簡化為Q=0，減少每個頻率音調的HCI資料負擔。

●提升系統穩健性——補償作業於類比硬體端即時完成，可降低本振漂移對測距結果的影響。

●更低延遲——啟動器完成量測後即可立即開始距離估算，無須等待反射器回報資料。

實現方面的考慮：

●反射器需求——反射器必須支援相位一致性的訊號重傳，因此可能需要額外的相位追蹤或相位補償硬體。

●功能協商—IPT是一項可協商且可配置的功能。其支援情況於LL_CS_CAPABILITIES交換中標示([v2]PDU中的IPT位)，並透過LL_CS_CONFIG_REQ PDU(IPT位)啟用。只有當兩個裝置均支援IPT且在雙方裝置上均已明確啟用時，會話才會使用IPT。

●新增定時參數—規範新增配套定時參數(T_IP2_IPT、T_SW_IPT)，以應對IPT啟用時可能出現的處理差異。天線切換時長將依雙方對等節點是否啟用該功能而定。

●向後相容性——不支援藍牙通道探測內聯PCT傳輸的裝置將繼續採用傳統的雙向消除方法運行。該功能的設計旨在對既有啟動器設備無需額外修改。

藍牙通道探測中PHY特有的RTT精度

背景

藍牙通道探測亦整合名為往返時間(RTT)的輔助測距方法，該方法透過計算裝置間射頻訊號傳輸的傳播時間(Time of Flight, ToF)來估算距離。雖然RTT的精度本質上取決於內部時鐘的準確性和時間戳記的解析度，但在一次探測會話中最終可達到的定時精度，則由執行的CS_SYNC交換次數決定。

在實施藍牙通道探測PHY專用RTT精度增強方案之前，裝置僅定義一項適用於所有實體層的統一RTT精度要求。該要求包含一個具體的傳播時間精度目標(例如10 ns或150 ns)以及實現該目標所需的最小CS_SYNC交換次數。然而，該要求並未考慮各實體層特有的效能特徵。不同的實體層具有獨特的無線電特性(例如符號週期和抗干擾能力)，這些特性會直接影響RTT測量精度。先前的統一聲明模型可能會導致RTT測距方面的挑戰——例如需要比實際更多的交換次數和/或不準確的傳播時間資料——這兩者都會降低RTT距離測量的計算精度。

此增強功能引入了基於實體層的RTT精度聲明機制，允許裝置分別針對LE 1M實體層以及可選的LE 2M和LE 2M 2BT實體層指定RTT效能，從而提升基於RTT的測距精度。

技術概述

為支援LE 2M實體層RTT精度機制，規範新增三項1位元組參數，用於定義LE 2M與LE 2M 2BT實體層的RTT效能：

●RTT_2M_AA_Only_N

適用於LE 2M實體層的僅AA模式

●RTT_2M_Sounding_N

適用於LE 2M實體層的標準探測序列

●RTT_2M_Random_Sequence_N

適用於LE 2M實體層上的隨機序列

各參數定義如下：

●值=0x00：表示LE 2M/2M 2BT實體層不支援相應的RTT模式。

●值=0x01至0xFF：指定滿足該RTT模式精度要求所需的CS_SYNC交換次數。

精度目標定義：當某個參數不為零時，擴充後的RTT_Capability欄位中的對應位元將用於標示精度目標：

→10 ns傳播時間精度(位=1)

→150 ns傳播時間精度(位=0)

若參數0x00(不支援)，則RTT_Capability中對應的精度位將被忽略。

主機控制器介面(HCI)的增強功能

HCI層透過帶有版本資訊的命令與事件整合這些新參數，以確保向後相容性。

●新的HCI[v2]命令和事件：

→HCI_LE_CS_Read_Local_Supported_Capabilities [v2]：回傳本地裝置的能力資訊，現包含三個新的LE 2M參數以及擴充後的6位RTT_Capability[v2]欄位。

→LE_CS_Read_Remote_Supported_Capabilities_Complete [v2]：報告遠端裝置的功能。

→HCI_LE_CS_Write_Cached_Remote_Supported_Capabilities [v2]：允許主機寫入快取的遠端裝置能力資訊。

●新增主要參數：

為了支援更高的資料速率，HCI現已新增了用於LE 2M PHY交換計數的專用參數(僅AA、探測和隨機序列)。這些參數是對現有LE 1M參數的補充。對於實現藍牙通道探測PHY特定RTT精度的裝置，必須支援這些[v2]版本。

●向後相容性和預設設定：

對於HCI_LE_CS_Write_Cached_Remote_Supported_Capabilities命令，預設邏輯確保了與舊版[v1]結構的相容性：

→對舊版命令的支援：如果使用了[v1]命令，該命令將不包含LE 2M PHY的特定欄位。

→自動映射：在此情況下，控制器會根據相應的LE 1M參數所提供的值，自動帶入缺少的LE 2M參數。

協定更新

鏈路層透過增強版Protocol Data Unit(PDU)格式傳遞相同參數，但其欄位配置與HCI層有所不同。

●增強型LL PDU[v2]格式：

→LL_CS_CAPABILITIES_REQ/RSP [v2] PDU格式已擴充，以包含三個新的LE 2M參數的欄位。

→PDU包含一個RTT-PHY指示位(位於Subfeatures_Supported欄位中)，用於表示是否採用PHY專屬模型。

與HCI序列不同，Link Layer(LL) PDU中的參數是按照定義的格式穿插在CtrData結構體中的。

技術優勢

●提升測距效率：

裝置現在可以針對每種特定的PHY執行最少必要的CS_SYNC交換次數，從而減少無線電工作時間並降低功耗。

●更精準的定時控制：

透過將LE 1M與LE 2M的RTT能力定義分開管理，系統可在效能良好的實體層上實現更高的精度(10納秒)，同時不會受到效能較差的實體層的限制。

●提升互通性：

針對每種實體層(PHY)明確宣告對不同RTT模式的支援，可確保在多廠商環境中獲得更可預測的效能。

實現注意事項

●必須支援HCI[v2]：

如果裝置實現了藍牙通道探測中與實體層相關的往返時間(RTT)精度功能，則必須支援LE CS功能讀寫命令的[v2]版本。

●向後相容性邏輯：

缺少參數的預設行為是強制性的。控制器將LE 2M參數設定為相應的LE 1M值，以確保與舊版主機相容運作。

●擴充PDU格式處理：

鏈路層需更新，以支援增強版LL_CS_CAPABILITIES PDU格式，該格式將新參數穿插在CtrData結構中。

HCI容量擴充突破位元限制

背景

HCI是藍牙主機與藍牙控制器之間的標準化通訊層。命令由主機傳送至控制器，而事件則由控制器傳送至主機。藍牙核心規範使用位元遮罩欄位用於宣告及控制這些命令與事件的支援能力：

→Supported_Commands：由 HCI_Read_Local_Supported_Commands 命令回傳的位元遮罩，其中每個位對應一個特定的HCI命令(1表示支援)。

→LE_Event_Mask：HCI_LE_Set_Event_Mask命令參數，其中每個位控制是否啟用特定低功耗(LE)事件類型的報告功能，以便將其傳送至主機。

隨著藍牙技術的不斷發展，特別是隨著藍牙低功耗(Bluetooth LE)功能的快速增加，這些欄位中可用的位數已幾乎用盡。命令原本的512位元(64位元組)限制，以及藍牙低功耗事件的64位元(8位元組)限制，已成為未來規範新增HCI命令與事件時的瓶頸。

新的命令版本

此新功能不會修改現有命令，而是引入了帶有新操作碼命令欄位(Opcode Command Field, OCF)的「v2」變體：

●HCI_Read_Local_Supported_Commands [v2] (OCF: 0x0010)：此新命令可回傳完整的512位元Supported_Commands位元遮罩。原始的[v1]命令(OCF 0x0002)仍僅回傳前512位元。由於HCI命令的回傳參數與版本相關，因此需要一個新的OCF；若重複使用原始OCF，將導致舊版主機需要解析其不支援的擴充回傳結構。

●HCI_LE_Set_Event_Mask [v2] (OCF: 0x00A4)：此新命令允許主機設置完整的251位元組LE_Event_Mask。原始的[v1]命令(OCF 0x0001)僅設置遮罩的前64位元(8位元組)；使用v1命令時，第64位及以上的位維持不變。

向後相容性與功能發現

●有條件的支援：v2命令屬於選用功能，控制器可依需求實作，但需符合下列條件：這些條件確保，如果控制器使用了擴充功能，主機即可識別並管理這些擴充功能。

→如果控制器支援超出原始位元配置範圍的任何事件，

則必須實現HCI_LE_Set_Event_Mask[v2]。

→如果控制器支援超出原始位元配置範圍的任何命令，

則必須實現HCI_Read_Local_Supported_Commands[v2]。

●命令和事件發現：

要檢查是否支援特定命令，需查看其支援位元於「Supported_Commands」欄位的原始區塊還是擴充區塊中。請注意，命令版本(v1與v2)與該位的位置無關。

→原始區塊(第0–63個位元組)：

兩個新v2命令的支援位位於Supported_Commands欄位的原始部分內，具體位於第49個位元組。由於這些位元位於原始區塊中，主機可以透過使用HCI_Read_Local_Supported_Commands[v1]命令來檢測對v2命令的支援情況。

→擴充區塊(第64位元組之後)：

要檢查是否支援擴充區塊中的任何命令，主機必須使用HCI_Read_Local_Supported_Commands[v2]命令。如果控制器不支援此v2命令，它將回傳錯誤代碼「未知HCI命令(0x01)」並拒絕該請求。這使主機能夠明確判斷控制器是否支援藍牙位元容量擴充(Running Out of Bits, ROOB)功能。

→版本一致性：

命令：命令的回傳參數始終與所執行命令的版本一致。例如，[v1]命令回傳64個位元組，而[v2]命令回傳251個位元組。

事件：HCI事件始終回傳基於以下條件的欄位：該事件的版本號必須是控制器支援的最高版本，且未被主機遮罩。

●保留預設行為：

預設事件遮罩配置維持不變，所有未明確列出或未受支援的位仍保留為「保留供將來使用」(RFU)。

放寬ACP與C/I限制簡化雙模設計

背景

《藍牙核心規範》歷經多次修訂，導致其兩大主要無線通訊技術——藍牙BR/EDR和藍牙低功耗(LE)——的技術要求逐漸分歧，且差異日益顯著。隨著時間的推移，針對關鍵射頻效能指標(尤其是相鄰通道功率(ACP)和載波干擾比(C/I))的規範要求已各自獨立發展。這導致了針對藍牙BR/EDR和藍牙LE無線電裝置所規定的限值與測試方法之間存在差異。

值得注意的是，本次規範更新並未改變藍牙LE的ACP與C/I要求。

本次更新僅針對藍牙BR/EDR進行調整，使其射頻要求與既有的LE 1 MS/s架構維持一致。

目前兩者主要差異包括：

●ACP要求差異

藍牙BR/EDR規範在較大頻率偏移(例如大於3 MHz)條件下，其限制比藍牙LE嚴格約15至17 dB。

●C/I要求差異

藍牙BR/EDR接收器的抗干擾能力要求亦高於藍牙LE，尤其是在與藍牙高資料輸送量(High Data Throughput, HDT)模式比較時更為明顯。

這些不一致之處給現代藍牙雙模無線電的設計帶來了挑戰，因為這類裝置必須同時支援藍牙BR/EDR和藍牙LE(包括藍牙HDT)。為了確保符合標準，設計人員不得不滿足其中任一標準中最嚴格的要求，導致設計受到過度約束，難以達到最佳效果。

此項變更透過採用基於LE 1 MS/s框架的統一方法，解決了這些不一致問題，該方法適用於藍牙BR和EDR的1 MHz標稱頻寬訊號。

技術概述

本節詳列了各項關鍵參數的具體偏差及建議的修改方案。

●相鄰通道功率(ACP)限值協調

相鄰通道功率(ACP)是一項關鍵的發射機指標，用於量化洩漏到相鄰頻率通道的功率。其主要目的是透過最大限度地減少對其他藍牙鏈路或在相鄰頻率上運行的無線系統的干擾，從而確保共存。

此變更將LE 1 MS/s ACP限值和測試方法延伸套用至藍牙BR和EDR發射器。主要更新內容為：

●放寬較大偏移頻率的限值

對於偏移頻率≥3 MHz的相鄰通道，其絕對功率限制從-40 dBm放寬至-30 dBm，使其與LE規範維持一致。對於偏移頻率為2 MHz的第二相鄰通道，其限制仍為-20 dBm。

●載波與干擾比(C/I)要求協調

載波與干擾比(Carrier-to-Interference Ratio, C/I)反映了接收機在鄰近頻率存在強干擾訊號的情況下，仍能成功解調所需訊號的能力。它是發射機ACP規格在接收機側的對應指標。系統級平衡至關重要：如果接收機無法承受實際水準的鄰近干擾，那麼擁有頻譜特性極佳的發射機也幾乎毫無益處。

該修改沿用LE 1 MS/s C/I測試的方法，並依據藍牙BR或EDR所採用的調變方式進行測試。各項限值則依不同調變格式所需的解調信噪比(SNR)進行調整。

●藍牙基本速率(BR–GFSK)：

所有測試中，目標訊號電平均統一設定為-67 dBm，從而簡化了測試條件。在合理的情況下，已放寬C/I限值以匹配藍牙LE的效能：

→鄰通道(2 MHz)：從-30 dB調整為-17 dB。

→鄰頻帶(≥3 MHz)：從-40 dB調整為-27 dB。

→像頻率±1 MHz：從-20 dB調整為-15 dB。

●藍牙增強資料速率(EDR)：

同時採用統一的訊號電平-67 dBm，並在放寬限制條件的同時，維持π/4-DQPSK與8DPSK既有的效能差異(delta)：

π/4-DQPSK：

●相鄰通道(2 MHz)：-30 dB→-17 dB

●相鄰頻帶 (≥3 MHz)：-40 dB→-27 dB

●鏡像頻率±1 MHz：-20 dB→ -15 dB

8DPSK(需要更高的信噪比)：

●相鄰通道(2 MHz)：-25 dB→-12 dB(與π/4-DQPSK相比，維持+5 dB的裕量)

●相鄰頻帶(≥3 MHz)：-33 dB→-20 dB(維持+7 dB的裕量)

●鏡像頻率±1 MHz：-13 dB→-8 dB

藍牙Core 6.3規範引入了多項增強功能，可提升測距精度、介面可擴充性以及射頻設計效率。藍牙通道探測技術的最新進步大幅降低了本地振盪器誤差，有效減少了處理和報告開銷，並實現了更精確且支援實體層感知(PHY-aware)的距離測量。

主機控制器介面(HCI)的擴充在維持向後相容性的同時，也支援後續功能持續演進。而統一的射頻(RF)要求則極大地簡化了雙模無線電設計並有效提高了能效。這些更新共同鞏固了藍牙技術的技術基礎，並支援在廣泛的裝置和應用場景中持續創新。

(本文由藍牙技術聯盟授權刊載)

參考資料：

1. 藍牙核心規範 v6.3 https://www.bluetooth.com/specifications/specs/core-specification-6-3/
2. 藍牙™Channel Sounding 技術概覽檔https://www.bluetooth.com/channel-sounding-tech-overview/