蓝牙核心技术概述（三）：蓝牙协议规范

发表于 2019-12-8 11:34

蓝牙核心技术概述（三）：蓝牙协议规范（射频、基带链路控制、链路管理）
关键词：蓝牙核心技术协议射频基带链路控制链路管理
作者：xubin341719(欢迎转载，请注明作者，请尊重版权，谢谢！)
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下载链接：Bluetooth PROFILE SPECIFICATIONS （基本涵盖所有蓝牙协议）、buletooth core 2.1-4.0 SPECIFICATION（三蓝牙版本的核心协议v2.1\v3.0\v4.0）、蓝牙核心技术与应用马建仓版（蓝牙协议相关初学者必读，开发者参考）
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发表于 2019-12-8 11:35

蓝牙协议是蓝牙设备间交换信息所应该遵守的规则。与开放系统互联（OSI）模型一样，蓝牙技术的协议体系也采用了分层结构，从底层到高层形成了蓝牙协议栈，各层协议定义了所完成的功能和使用数据分组格式，以保证蓝牙产品间的互操作性。

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发表于 2019-12-8 11:36

一、射频协议
射频位置如上图红色部分。
1、工作频率
蓝牙工作在2.4GHz ISM频段上，蓝牙采用跳频扩谱技术主动的避免工作频段受干扰（微波炉的工作频率也是2.4GHz）。

我国的蓝牙频率在2.402GHz～2.483GHz,蓝牙每个频道的宽度为1MHz，为了减少带外辐射的干扰，保留上、下保护为3.5MHz和2MHz，79个跳频点中至少75个伪随机码跳动，30S内任何一个频点使用时长不能超过0.4S。
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发表于 2019-12-8 11:36

2、跳频技术、发射功率、时隙
（1）、发射功率：蓝牙发射功率分三级：一级功率100mW(20dBm)；二级功率2.5mW(4dBm)；三级功率1mW(0dBm)；
（2）、物理信道：蓝牙物理信道有伪随机序列控制的79个跳频点构成，不同跳频序列代表不同的信道。

（3）、时隙：蓝牙跳频速率为1600次/s,每个时间为625uS(1S/1600)称为一个时隙；

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发表于 2019-12-8 11:37

二、基带与链路控制协议

蓝牙发送数据时，基带部分将来自高层的数据进行信道编码，向下发给射频进行发送；接收数据时，将解调恢复空中数据并上传给基带，基带进行信道编码传送给上层。

作用：跳频选择、蓝牙编址、链路类型、信道编码、收发规则、信道控制、音频规范、安全设置。

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发表于 2019-12-8 11:37

1、蓝牙分组编码为小端模式；

2、蓝牙地址

BD_ADDR：BluetoothDevice Address；

LAP:LowerAddress Part 低地址部分；

UAP: UpperAddress Part 高地址部分；

NAP: Non-significantAddress Part 无效地址部分。

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发表于 2019-12-8 11:38

3、蓝牙时钟
每个蓝牙设备都有一个独立运行的内部系统时钟，称为本地时钟（Local Clock），决定定时器的收发跳频。为了与其他设备同步，本地时钟要加一个偏移量（offset），提供给其他设备同步。
蓝牙基带四个关键周期：312.5uS、625uS、1.25mS、1.28S。

CLKN：本地时钟：
CLKE:预计时钟，扫描寻呼过程中用到；
CLK：设备实际运行的时钟频率。
CLKE、CLK由CLKN加上一个偏移量得到的。

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发表于 2019-12-8 11:38

4、蓝牙物理链路：
通信设备间物理层的数据连接通道就是物理链路。
ACL（Asynchronous Connectionless）异步无连接链路；对时间要求不敏感的数据通信，如文件数据、控制信令等。
SCO（Synochronous Connection Oriented）同步面向连接链路；对时间比较敏感的通信，如：语音；最多只支持3条SCO链路，不支持重传。
ACL用于数据传输；
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发表于 2019-12-8 11:40

5、蓝牙基带分组：
基带分组至少包括：接入码、分组头、有效载荷；

（1）、接入码用于同步、直流、载频泄漏偏置补偿标识；
（2）、分组头包含链路信息，确保纠正较多的错误。
分组类型如下：

ACL分组形式为：D(M|H)（1|3|5）,D代表数据分组，M代表用2/3比例的FEC的中等速率分组；H代表不使用纠错码的高速率分组；1、3、5分别代表分组所占用的时隙数目；
DM1、DM3、DM5、DH1、DH3、DH5
SCO分组形式为：HV(1|2|3)。HV代表高质量语言分组，1、2、3有效载荷所采用的纠错码方法。1为1/3比例FEC，设备2个时隙发送一个单时隙分组；2为2/3比例FEC，设备4个时隙发送一个单时隙分组；3为不使用纠错码，设备6个时隙发送一个单时隙分组
HV1、HV2、HV3
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发表于 2019-12-8 11:41

ALC 分组：

SCO分组：

注释：D 只对数据段有用，DV分组包含数据段，也包含语言段。

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发表于 2019-12-8 11:41

（3）、有效载荷
分语言有效载荷、数据有效载荷。

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发表于 2019-12-8 11:43

6、蓝牙的逻辑信道
链路控制信道：LinkControl LC
链路管理信道：Link Manage LM
用户异步数据信道：User AsynchronizationUA
用户同步数据信道：UserSynchronization US
用户等时数据信道：UserIsochronous UI UI
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发表于 2019-12-8 11:43

7、蓝牙的收发规则

上图为RX缓存。

上图为TX缓存。
新分组到达时，ACL链路的RX缓存器要流量控制，SCO数据不需要流量控制；
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发表于 2019-12-8 11:44

8、蓝牙基带信道和网络控制
1）、链路控制器状态：
待机、连接
寻呼page、寻呼扫描pagescan、查询inquiry、查询扫描inquiry scan、主设备相应Master Response、从设备相应Slave Response、查询相应inquiry response
2）、连接状态
激活模式active、呼吸模式sniff、保持模式hold、休眠模式park。
3）、待机状态
待机状态是蓝牙设备缺省低功耗状态，此状态下本地时钟以低精度运行。蓝牙从待机转入寻呼扫描状态，对其他寻呼进行响应成为从设备；也可以从待机状态进入查询扫描状态，完成一个完整的寻呼，成为主设备。
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发表于 2019-12-8 11:44

9、接入过程
注释：
IAC Inquiry AccessCode 查询接入码；
GIAC:通用查询接入码 DIAC：专用查询接入码；
DAC：DeviceAccess Code 设备接入码；
LAP：
建立连接，必须使用查询、寻呼；查询过程使用IAC，发现覆盖区域内的设备、设备的地址及其时钟；连接过程使用DAC，建立连接的设备处理寻呼过程，成为主设备。、（1）、查询过程
蓝牙设备通过查询来发现通信范围内的其他蓝牙设备。查询信息分为GIAC、DIAC两种。查询发起设备收集所有相应设备的地址、时钟信息。
一设备进入查询状态去发现其他设备，查询状态下连续不断的在不同频点发送查询消息。查询的跳频序列有GIAC的LAP导出。
一设备想被其他设备发现，就要周期性进入查询扫描状态，以便相应查询消息。如：我们选择设备多长时间可见，其实就是进入查询扫描状态。
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发表于 2019-12-8 11:45

A、查询扫描
查询扫描状态下，接收设备扫描接入码的时间长度，足以完成对16个频率的扫描。扫描区间长度Twindow inquiry scan。扫描在同一个频率上进行，查询过程用32跳专用查询跳频序列，此序列有通用查询的地址决定，相位有本地时钟决定，每隔1.28S变化一次。
B、查询
与寻呼类似，TX用查询跳频序列、RX用查询相应跳频序列。
C、查询相应
从设备响应查询操作。每个设备都有自己的时钟，使用查询序列相位相同的几率比较小。为了避免多个设备在同一查询跳频信道同时激活，从设备查询响应规定：从设备收到查询消息，产生0-1023只觉得额一个随机数，锁定当时相位输入值进行跳频选择，从设备此后的RAND时隙中返回到连接或者待机状态。
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发表于 2019-12-8 11:45

（2）、寻呼扫描
DAC：DeviceAccess Code 设备接入码
寻呼扫描状态下的设备扫描窗口Twindowpage scan内监听自己的DAC。监听只在一个跳频点进行。Twindow page scan足够覆盖16个寻呼扫描频点。
寻呼扫描状态，扫描在同一个频率上进行，持续1.28S，在选择另一个不同频率。

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发表于 2019-12-8 11:46

（3）、寻呼
主设备使用寻呼发起一个主—从设备连接，通过在不同的跳频点上重复发送从设备DAC来扑捉从设备，从设备在寻呼扫描状态被唤醒，接收寻呼。
（4）、寻呼相应过程

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发表于 2019-12-8 11:46

三、链路管理器

如上图红色部分，负责完成设备：功率管理、链路质量管理、链路控制管理、数据分组管理、链路安全管理。

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发表于 2019-12-8 11:47

1、链路管理协议数据单元
蓝牙链路管理器接收到高层的控制信息后，不是向自身的基带部分分发控制信息，就是与另一台设备的链路管理器进行协商管理。这些控制信息封装在链路管理协议数据单元LMP_PDU中，由ACL分组的有效载荷携带。

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