蓝牙BLE协议栈各层介绍与蓝牙技术联盟认证

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一，协议栈各层介绍

1、物理层规范（PHY）

        射频方面，BLE工作在免费的2.4GHz ISM(Industrial Scientific Medical)频段，其频带是2400 -2483.5MHz，BLE的调制方式是高斯频移键控(GFSK)，BT=0.5，而标准蓝牙技术是0.35，0.5的指数接近高斯最小频移键控(GMSK)方案，可以降低无线设备的功耗要求(这方面的原因比较复杂)。更低调制指数还有两个好处，即提高覆盖范围和增强鲁棒性；二进制“1”和“0”分表表示正频偏和负频偏，在使用频谱仪（N9020A）测试频偏时需要提前知道其背离频率；发射功率范围在-20dBm~+10dBm之间（天线增益为0dBi情况下）；误比特率为0.1%的情况下，接收灵敏度小于-70dBm；通信距离可到达100m；传输速率为1Mbps；数据包间对中心频率的偏移应当小于±150kHz，其中包括了初始的频率补偿和频率漂移；在一个数据包内，频率偏移应当小于150kHz，最大的频率偏移率不能超过400Hz/us，一般要求在±20PPM以内即可。

        相对于传统蓝牙而言，传统蓝牙可以增强数据率，可支持2或3Mb/s的总空气比特率。这些模式分别被称为基本速率(BR)和增强数据率(EDR)。定义了两种调制模式。强制模式被称为基本速率，使用一个成型的二进制FM调制从而将收发器的复杂程度降至最低。可选模式被称为增强数据率，使用PSK调制并存在两个变量：π/4-DQPSK和8DPSK。所有调制程序的符号率是1 Ms/s。就总空中传输数据率而言，基本速率为1 Mbps，使用π/4-DQPSK的增强数据率为2 Mbps，而使用8DPSK的增强数据率为3 Mbps。

        信道结构方面，BLE系统采用跳频收发机提供多个跳频序列载波，抵抗干扰和衰减。BLE信道分为广播信道与数据信道，数量分别为3和37。系统提供两种复用方案：频分多址和时分多址。在频分复用方案中，40个信道间的频率间隔为2MHz，中心频率分别为2402+k*2MHZ，其中k是0—39之间的任意整数，k等于0，12，39时信道为广播信道，其他值时为数据信道；在时分复用方案中，两个正在通信的设备，通过轮训的方式在预定好的时间单元中收发数据。数据传输是采样自适应跳频的方式在37个数据传输信道中传输有效数据包，该技术主要是为了防止单一信道堵塞而导致的问题。

2、链路层规范（LL）

    1）链路层的功能

        链路层使用链路协议来控制网络中设备的状态，并且提供管理下层的服务。低功耗蓝牙设备有五个工作状态，分别是：待机状态、广播状态、扫描状态、初始化状态、和连接状态。链路层控制器一个时刻内只允许设备处于上述5个状态之一。

        待机状态：默认状态，不能发送接收任何数据包，任何其他状态都可以直接进入待机状态。

        广播状态：广播状态可由待机状态切换进入，设备在3个广播信道发送广播数据包，同时在当前信道监听和回复扫描者可能发送的扫描数据包。处于广播状态下的设备称为广播者。

        扫描状态：扫描状态可由待机状态切换进入，设备在3个广播信道监听远程设备发出的广播数据包，同时发送扫描数据包，等待广播者的扫描回复信号。处于扫描状态下的设备称为扫描者。

        初始化状态：初始化状态可由待机状态切换进入，设备在广播信道监听回复远程设备的广播数据包，从而发起设备之间的连接。处于初始化状态下的设备称为发起者。

        连接状态：连接状态可以从初始化状态和广播状态进入，此时发起者作为主设备，确定传输时隙，广播者作为从设备，双方在数据信道以跳频的方式进行数据传输。

        协议数据单元：大小为2字节~39字节，根据不同数据包类型而不同。

广播信道协议数据单元：由包头和有效荷载2部分组成。具体格式如下表所示。

包头（16位）						有效荷载
PDU类型	RFU	TxAdd	RxAdd	Length	RFU	（由包头中的长度位标志）

    其中PDU类型如下表所示。

PDU 类型	数据包名称
0000	ADV_IND
0001	ADV_DIRECT_IND
0010	ADV_NONCONN_IND
0011	SCAN_REQ
0100	SCAN_RSP
0101	CONNECT_REQ
0110	ADV_SCAN_IND
0111-1111	Reserved

数据信道协议数据单元：由包头、有效荷载和可选的信息完整性检查(MIC)组成，格式如表2‑5所示。信息完整性检查在没有加密的链路连接，或者加密了但数据协议数据单元长度为0的情况下使用。LL DataPDU 是用来发送L2CAP数据，而LL Control PDU是用来控制连接链路的。

        数据信道协议数据单元格式如下表所示

包头（16位）							有效荷载		信息 完整性检 （32 位）
LLID	NESN	SN	MD	RFU	Length	RFU	LL DATA PDU	LL Control PDU

        CRC：3字节的CRC是根据PDU计算的。如果PDU已加密，则CRC根据加密后的PDU计算。CRC多项式的形式自行百度。对于任一个广播信道PDU，移位寄存器应该预设为0x555555；对于每一个数据信道PDU，移位寄存器的预设值在连接状态时，从连接请求PDU中得出。

3、HCI规范

        HCI是连接主机和控制器的桥梁，提供主机访问下层协议、硬件和控制寄存器的统一接口。HCI实际为三部分：HCI 固件、HCI驱动和实际物理接口。

        HCI固件：HCI固件位于蓝牙控制器中，固件主要内容有：中断向量表、堆栈设计、初始化程序和蓝牙处理程序。HCI固件通过访问控制硬件状态寄存器、控制寄存器、事件寄存器、基带命令和链路管理命令执行HCI命令。蓝牙系统的MCU在蓝牙处理程序控制下，会读取来自上层协议栈的命令，然后根据命令配置基带层的相应寄存器。反之基带层接收到信息后反馈给MCU，MCU通过HCI物理接口递交这些信息至上层协议栈，上层协议栈根据这些信息，再产生新的命令进行处理。

        HCI驱动：HCI驱动位于蓝牙主机中，也就是协议结构中HCI软件驱动部分。当某个事件触发时，控制器通过事件方式通知主机，主机则接收该事件的异步通知。当主机发现有事件发生时，它将分析收到的事件包并判断事件类型，做出相应的处理。

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        实际物理接口：作为HCI接口的实际物理实体，位于HCI固件和HCI驱动的中间层，提供可靠的数据传输。蓝牙控制器与主机可以使用不同的数据传输方式进行通信。不同通信方式的数据格式在实际硬件接口均具有特定的封装格式，但是经过HCI层的封装统一，不同类别的通信方式并不会造成主机接收到的HCI事件异步通知无法相互识别的情况。常用的物理接口有USB、UART和RS232三种。下图表示UART作为HCI接口时，主机与控制器的连接图。

4、其他上层协议规范

1）逻辑链路控制适配层（L2CAP）规范

        逻辑链路控制适配层位于主机中，采用了协议复用和数据包分段重组技术，负责向高层协议栈提供面向连接的数据服务。它允许高层协议收发数据长度为64K字节。

      

2）通用访问协议（GAP）规范

3）属性协议（ATT）规范

4）安全管理协议（SMP）规范

5）通用属性协议（GATT）规范

参考：1）蓝牙技术联盟官网

            2）Bluetooth开发者门户

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