低功耗蓝牙LE Audio Profile 详细介绍

曾经终败给现在 2022-09-04 02:44 326阅读 0赞

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L0hhYVNUZWNo_size_16_color_FFFFFF_t_70][]

# **1、LE Audio****介绍** #

## **1.1、LE Audio****传输协议** ##

2019年底，蓝牙官方组织SIG发布了蓝牙5.2版本的核心协议，其中增加了一个重要的特性---LE Audio。

蓝牙的应用协议都是从应用层到物理层完整包含的协议，LE Audio也不例外。但蓝牙5.2核心协议仅仅定义了蓝牙LE的链路层传输Audio的方式，上层协议以及完整的LE Audio规范迟迟未出，近日，蓝牙官方组织释放了LE Audio较为完整的规范文档。

## **1.2、LE Audio****完整应用** ##

本次Sig组织定义了如下规范和协议，这些规范协议连同核心协议组成了LE Audio的完整应用

*  Basic Audio Profile(BAP)

基础音频规范，LE Audio的关键规范，定义了各类角色以及每个角色需要支持的能力，以及如何使用如下各服务完成音频应用的传输。LE Audio支持点对点音频模式和广播音频模式，2种模式下，会使用不同的服务。

*  Published Audio Capabilities Service(PACS)

已发布音频能力服务，此服务定义了本设备支持的音频能力，包括但不限于支持的编解码器个数以及各编解码能力，通过此项服务，可获取设备的音频能力。

*  Audio Stream Control Service(ASCS)

音频流控制服务，此服务定义了一套操作指令，用于建立配置以及关闭音频流。

*  Broadcast Audio Scan Service(BASS)

广播音频扫描服务，此服务用于广播音频发布者告知周边接收器广播音频参数，这个服务仅在广播音频类

*  Low Complexity Comunication Codec(LC3)

用于LE Audio的音频编解码器，顾名思义，此编码器属于低复杂度的音频编码器。LC3编码器可选参数范围很大，应用范围从8KHz单声道语音到48KHZ多声道音乐均支持，同时相比经典蓝牙音频规范使用的编码器SBC，同码率下音质有很大的提升。

# **2、LE Audio****详解** #

## **2.1、BAP****规范** ##

BAP规范作为LE Audio的基础音频规范，其位于如下蓝牙协议层。

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L0hhYVNUZWNo_size_16_color_FFFFFF_t_70 1][]

BAP规范根据支持的点对点音频和广播音频，定义了如下角色

<table> 
 <tbody> 
 <tr> 
 <td style="border-color:#d9d9d9;"> Unicast Role </td> 
 <td style="border-color:#d9d9d9;"> Unicast Server </td> 
 <td style="border-color:#d9d9d9;"> 点对点音频从设备 </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> Unicast Client </td> 
 <td> 点对点音频主设备 </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td style="border-color:#d9d9d9;"> Broadcast Role </td> 
 <td> Broadcast Source </td> 
 <td> 广播音频发射设备 </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> Broadcast Sink </td> 
 <td> 广播音频接收设备 </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> Broadcast Assistant </td> 
 <td> 广播音频协助设备 </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td> Scan Delegator </td> 
 <td> 广播音频扫描设备 </td> 
 </tr> 
 </tbody> 
</table>

每类角色支持的服务如下（注： X代表不支持，M代表必须支持，O代码可选支持）

<table style="width:471.75pt;"> 
 <tbody> 
 <tr> 
 <td style="background-color:#f2f2f2;border-color:#d9d9d9;"> BAP Role Service Role </td> 
 <td style="background-color:#f2f2f2;border-color:#d9d9d9;"> Unicast Server </td> 
 <td style="background-color:#f2f2f2;border-color:#d9d9d9;"> Unicast Client </td> 
 <td style="background-color:#f2f2f2;border-color:#d9d9d9;"> Broadcast Source </td> 
 <td style="background-color:#f2f2f2;border-color:#d9d9d9;"> Broadcast Sink </td> 
 <td style="background-color:#f2f2f2;border-color:#d9d9d9;"> Scan Delegator </td> 
 <td style="background-color:#f2f2f2;border-color:#d9d9d9;"> Broadcast Assistant </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td style="background-color:#f2f2f2;border-color:#d9d9d9;"> ASCS Client </td> 
 <td> X </td> 
 <td> M </td> 
 <td> X </td> 
 <td> X </td> 
 <td> X </td> 
 <td> X </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td style="background-color:#f2f2f2;border-color:#d9d9d9;"> ASCS Server </td> 
 <td> M </td> 
 <td> X </td> 
 <td> X </td> 
 <td> X </td> 
 <td> X </td> 
 <td> X </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td style="background-color:#f2f2f2;border-color:#d9d9d9;"> PACS Client </td> 
 <td> X </td> 
 <td> M </td> 
 <td> X </td> 
 <td> X </td> 
 <td> X </td> 
 <td> O </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td style="background-color:#f2f2f2;border-color:#d9d9d9;"> PACS Server </td> 
 <td> M </td> 
 <td> X </td> 
 <td> X </td> 
 <td> M </td> 
 <td> X </td> 
 <td> X </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td style="background-color:#f2f2f2;border-color:#d9d9d9;"> BASS Client </td> 
 <td> X </td> 
 <td> X </td> 
 <td> X </td> 
 <td> X </td> 
 <td> X </td> 
 <td> M </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td style="background-color:#f2f2f2;border-color:#d9d9d9;"> BASS Server </td> 
 <td> X </td> 
 <td> X </td> 
 <td> X </td> 
 <td> X </td> 
 <td> M </td> 
 <td> X </td> 
 </tr> 
 </tbody> 
</table>

当2个设备处于对应角色时，即可通过BAP定义的操作步骤完成服务的连接以及音频传输服务。

以Unicast Server和Unicast Client为例，其步骤如下

*  Unicast Client通过GATT服务发现操作发现Unicast Server的PACS服务并得知音频参数。
 *  Unicast Client通过GATT服务发现操作发现Unicast Server的ASCS服务并得知当前状态。

*  Unicast Client如发现其音频参数匹配且Server的状态处于IDLE状态，即可连接音频服务。
 *  Unicast Client通过ASCS定义的操作码，配置音频编解码参数和音频传输参数，然后开启音频。

*  Unicast Client通过核心协议5.2定义的方式，根据配置参数，在链路层开启CIS音频传输流。
 *  Unicast Sink通过ASCS操作码，通知Unicast Source已可接收音频。

*  Unicast Source开启LC3编解码器，并将编码后的音频流通过CIS传输到Unicast Sink。
 *  Unicast Sink接收音频流，解码并播放。

## **2.2、PACS****服务** ##

PACS服务用于点对点音频，定义了设备的音频能力，其服务定义如下。

<table style="width:465pt;"> 
 <tbody> 
 <tr> 
 <td style="background-color:#f2f2f2;border-color:#d9d9d9;"> Characteristic Name </td> 
 <td style="background-color:#f2f2f2;border-color:#d9d9d9;"> Requirement </td> 
 <td style="background-color:#f2f2f2;border-color:#d9d9d9;"> Mandatory Properties </td> 
 <td style="background-color:#f2f2f2;border-color:#d9d9d9;"> Optional Properties </td> 
 <td style="background-color:#f2f2f2;border-color:#d9d9d9;"> Security Permissions </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td style="border-color:#d9d9d9;"> Sink PAC </td> 
 <td> C.1 </td> 
 <td> Read </td> 
 <td> Notify </td> 
 <td> Encryption required </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td style="border-color:#d9d9d9;"> Sink Audio Locations </td> 
 <td> C.2 </td> 
 <td> Read </td> 
 <td> Notify, Write </td> 
 <td> Encryption required </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td style="border-color:#d9d9d9;"> Source PAC </td> 
 <td> C.1 </td> 
 <td> Read </td> 
 <td> Notify </td> 
 <td> Encryption required </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td style="border-color:#d9d9d9;"> Source Audio Locations </td> 
 <td> C.3 </td> 
 <td> Read </td> 
 <td> Notify, Write </td> 
 <td> Encryption required </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td style="border-color:#d9d9d9;"> Available Audio Contexts </td> 
 <td> M </td> 
 <td> Read, Notify </td> 
 <td> None </td> 
 <td> Encryption required </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td style="border-color:#d9d9d9;"> Supported Audio Contexts </td> 
 <td> M </td> 
 <td> Read </td> 
 <td> Notify </td> 
 <td> Encryption required </td> 
 </tr> 
 </tbody> 
</table>

其中，Source PAC为音频发送能力属性，当设备支持音频发送时才需要定义，其格式如下：

<table style="width:467.25pt;"> 
 <tbody> 
 <tr> 
 <td style="background-color:#f2f2f2;border-color:#d9d9d9;"> Parameter </td> 
 <td style="background-color:#f2f2f2;border-color:#d9d9d9;"> Size (Octets) </td> 
 <td style="background-color:#f2f2f2;border-color:#d9d9d9;"> Description </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td style="border-color:#d9d9d9;"> Number_of_PAC_records </td> 
 <td> 1 </td> 
 <td> Number of PAC records, [i], for this characteristic </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td style="border-color:#d9d9d9;"> Codec_ID[i] </td> 
 <td> 5 </td> 
 <td> Octet 0: Coding_Format value of the [ith] PAC record. Coding_Format values are defined in Bluetooth Assigned Numbers. Octet 1–2: Company _ID value of the [ith] PAC record. Shall be 0x0000 if octet 0 is not 0xFF. Company_ID values are defined in Bluetooth Assigned Numbers. Octet 3–4: Vendor-specific codec_ID value of the [ith] PAC record. Shall be 0x0000 if octet 0 is not 0xFF. </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td style="border-color:#d9d9d9;"> Codec_Specific_Capabilities_Length[i] </td> 
 <td> 1 </td> 
 <td> Length of the Codec_Specific_Capabilities value of the [ith] PAC record. Shall be 0x00 if the Codec_Specific_Capabilities value of the [ith] PAC record is empty. </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td style="border-color:#d9d9d9;"> Codec_Specific_Capabilities[i] </td> 
 <td> Varies </td> 
 <td> Codec_Specific_Capabilities value of the [ith] PAC record. </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td style="border-color:#d9d9d9;"> Metadata_Length[i] </td> 
 <td> 1 </td> 
 <td> Length of the Metadata field of the [ith] PAC record. Shall be 0x00 if the Metadata value of the [ith] PAC record value is empty. </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td style="border-color:#d9d9d9;"> Metadata[i] </td> 
 <td> Varies </td> 
 <td> LTV-formatted Metadata applicable to the [ith] PAC record. Shall exist only if the value of the Metadata_Length field is not 0x00. </td> 
 </tr> 
 </tbody> 
</table>

Sink PAC为音频接收能力属性，当设备支持音频接收时才需要定义，其格式如下：

<table style="width:467.25pt;"> 
 <tbody> 
 <tr> 
 <td style="background-color:#f1f1f2;border-color:#d9d9d9;"> Parameter </td> 
 <td style="background-color:#f1f1f2;border-color:#d9d9d9;"> Size (Octets) </td> 
 <td style="background-color:#f1f1f2;border-color:#d9d9d9;"> Description </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td style="border-color:#d9d9d9;"> Number_of_PAC_records </td> 
 <td> 1 </td> 
 <td> Number of PAC records, [i], in this characteristic. </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td style="border-color:#d9d9d9;"> Codec_ID[i] </td> 
 <td> 5 </td> 
 <td> Octet 0: Coding Format of the [ith] PAC record. Coding_Format values are defined in Bluetooth Assigned Numbers Octet 1–2: Company_ID value of the [ith] PAC record. Company_ID values are defined in Bluetooth Assigned Numbers Shall be 0x0000 if octet 0 is not 0xFF. Octet 3–4: Vendor-specific codec_ID value of the [ith] PAC record. Shall be 0x0000 if octet 0 is not 0xFF. </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td style="border-color:#d9d9d9;"> Codec_Specific_Capabilities_Length[i] </td> 
 <td> 1 </td> 
 <td> Length, in octets, of the Codec_Specific_Capabilities value of the [ith] PAC record. Shall be 0x00 if the Codec_Specific_Capabilities value of the [ith] PAC record is empty. </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td style="border-color:#d9d9d9;"> Codec_Specific_Capabilities[i] </td> 
 <td> Varies </td> 
 <td> Codec_Specific_Capabilities value of the [ith] PAC record. </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td style="border-color:#d9d9d9;"> Metadata_Length[i] </td> 
 <td> 1 </td> 
 <td> Length of the Metadata field of the [ith] PAC record. Shall be 0x00 if the Metadata value of the [ith] PAC record value is empty. </td> 
 </tr> 
 <tr> 
 <td style="border-color:#d9d9d9;"> Metadata[i] </td> 
 <td> Varies </td> 
 <td> Length-type-value (LTV)-formatted Metadata applicable to the [ith] PAC record. Shall exist only if the value of the Metadata_Length field is not 0x00. </td> 
 </tr> 
 </tbody> 
</table>

## **2.3、ASCS****服务** ##

ASCS服务用于音频控制，通过定义的一套操作码作交互，从而达到控制音频状态转移的目的。

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L0hhYVNUZWNo_size_16_color_FFFFFF_t_70 2][]

ASCS的服务定义如下

## **2.4、BASS****服务** ##

BASS为广播音频扫描服务，用于告知广播音频的一些参数，属于辅助服务，其定义如下。

## **2.5、LC3****编解码器** ##

LC3编解码器用于LE Audio的音频编解码，与MP3，AAC类似，属于频域编码，编码效率远高于SBC子带编码，而10毫秒和7.5毫秒的短帧结构，对于音频延迟有较大改善。

LC3在频域上引入了SNS频域噪声整形，TNS时域噪声整形以及熵编码等技术，其中TNS等技术已用于AAC，这些技术对于音质有提升，整个编码过程如下：

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L0hhYVNUZWNo_size_16_color_FFFFFF_t_70 3][]

解码是编码的逆过程，如下：

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L0hhYVNUZWNo_size_16_color_FFFFFF_t_70 4][]

# **3、LE Audio****支持展望** #

LE Audio作为一个非常重要的特性，发布至今除少量demo仍未见应用。大规模普及仍依赖于操作系统厂商是否支持，诸如苹果的IOS以及谷歌的Android，从目前的进展(IOS14以及Android11)来看，仍未看到有支持LE Audio。

但翻看AOSP的代码，在Android12(android-s-beta版)上，已能发现LE Audio的痕迹，如下

![watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L0hhYVNUZWNo_size_16_color_FFFFFF_t_70 5][]

从目前的代码完整度来看，仍不算完整功能支持，预计在Android12上会完善并开始应用，等手机支持后，相信会有厂商推出支持LE Audio的耳机。

但音频应用属于一个通用应用，苹果以及其他操作系统诸如微软的windows的支持也极其重要，从这个角度讲，LE Audio要大规模普及可能仍需要时间。

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[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L0hhYVNUZWNo_size_16_color_FFFFFF_t_70 1]: /images/20220829/4aa72c0bed4a4fd6ba7cbe31d91afc56.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L0hhYVNUZWNo_size_16_color_FFFFFF_t_70 2]: /images/20220829/b37fef06021b41e1b90e2d95b9e38b91.png
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[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L0hhYVNUZWNo_size_16_color_FFFFFF_t_70 4]: /images/20220829/ca62e69bf41947b387ef7fdafdc06b6f.png
[watermark_type_ZmFuZ3poZW5naGVpdGk_shadow_10_text_aHR0cHM6Ly9ibG9nLmNzZG4ubmV0L0hhYVNUZWNo_size_16_color_FFFFFF_t_70 5]: /images/20220829/ffa9c3227fed4285820360a4c0288d26.png