[蓝牙]蓝牙技术学习笔记

一、蓝牙技术专业术语

名词	解释
SCO	面向连接的同步链路（支持数据、语音传送，可同时传送）
ACL	面向无连接的异步链路（支持对称和非对称两种帧格式）
CVSD	连续可变斜率增量调制（一种语音编码方式，语音编码方式由用户选择，可选择PCM和CVSD）
ISM频段	工科医频段（全球通用的公用频段，包括902928MHz和2.4GHz2.484GHz），蓝牙技术使用2.4GHz
EDR	Enhanced Data Rate，增强数据传输速率（蓝牙2.0之后）
BER	Bit Error Rate，比特误差率

(参考文章：
《关于蓝牙开发，你必须知道的知识》：https://blog.csdn.net/andrewniu/article/details/80857814
《蓝牙核心技术了解（蓝牙协议、架构、硬件和软件笔记）》：https://www.cnblogs.com/shaobojiao/p/7883330.html )

二、蓝牙中的关键技术

1.跳频技术

蓝牙、ZigBee、WiFi都使用2.4GHz频段，包括日常使用的微波炉，也工作在此频段。为减少其他设备的干扰，使用跳频技术把频带分成若干个跳频信道，在一次连接中，收/发设备按照一定的（相同的）伪随机序列快速从一个信道跳到下一个信道，只有收/发双方按照这个规律通信，其他干扰不会按照同样的规律变频。跳频的瞬时带宽很窄，通过扩展频谱技术可使窄频带扩展成宽频带。
(参考文章：
《无线通信设计秘密一：跳频技术》：https://blog.csdn.net/ppdyhappy/article/details/79483653
《2.4g无线跳频（三）》：https://blog.csdn.net/wangzibigan/article/details/77510187)

2.流加密技术

无线信号很容易被截取。蓝牙协议提供了认证和加密，以实现链路级安全。蓝牙系统的认证和加密技术由物理层提供，硬件实现，密钥由高层软件管理。安全机制尽量在应用层实现。

三、蓝牙中的网络特性

蓝牙技术是点对多点的技术。蓝牙组网最多支持256台设备，形成微微网，其中每个时刻只能有1个主节点和最多7个从节点处于工作状态，其他节点处于待机状态（Stand-By状态）。

四、无线通信技术基础

1.模拟信号的调制方式

调幅（AM）、调频（FM）、调相（PM）
其工作原理是将低频源信号附加在高频的载波信号上，高频载波信号的幅值、相位、相位的状态包含着低频源信号的信息。

2.数字信号的调制方式

名称	解释
幅移键控（ASK）	两个不同的振幅表示二进制0和1，同时频率和相位不变。（噪声通常只影响幅值）
频移键控（FSK）	用载波频率和其附近的的一个频率（差分频率）的加减来表示二进制0和1。（包括二元频移键控和多元频移键控，二元频移键控只能表示二进制0和1，即1位；多元频移键控可表示多个二进制位。频移键控：每一个不同的频率表示不同二进制数或序列，这个频率是根据源信号控制载波频率变化表示的）
相移键控（PSK）	新发送的信号脉冲起始相位与前一个信号起始信号相同表示二进制0，不同表示二进制1，二进制的值与绝对相位无关（差分相移键控DPSK）（抗噪能力相比最强，频带利用率最高）
高斯频移键控（GFSK）	蓝牙当中使用的强制方式（一种简单的二元调制方案）

(参考文章：
《详解蓝牙标准中的GFSK调制》：https://blog.csdn.net/lovehua365/article/details/78945817 )

3.扩频通信原理

s = 信道带宽/信息带宽 = 通信系统占有带宽/原始信号带宽
s = 1或2	窄带通信
s > 50	宽带通信
s > 100	扩频通信

在实现信息传输之前，发送固定得伪随机（PN）码来同步传/接双方（这里在传输时会被干扰，需要此条信息具有很高得辨识度，能够被接收机大概率得识别出来）。
同步之后传输信息。信息先调制（模拟信号使用FM方式，数字信号采用PSK或FSK方式），调制后得信号一般为窄带信号，后接扩频设备扩展其频谱。
扩频比窄带抗干扰是因为：带宽越宽，干扰信号需要在更宽得频带范围上释放，分散了干扰功率。

4.数据交换技术

电路交换：独占通信通路
分组交换："存储-转发"方式，多人共享通信通路（类似TCP/IP协议中网络层对传输层数据得分帧组包）

五、蓝牙无线规范

三种功率等级（等级1：100mW，等级2：2.5mW，等级3：1mW）
目前常见蓝牙功率等级为3，传输距离为10m，数据速率为1Mb/s，最小频偏不小于115kHz（频偏为相对载波中心频率fc的频率偏移，偏移量为fd，二进制1为正频偏，0为负频偏）
蓝牙处于连接状态时，可以处于保持状态（收发机既不发送，也不接收）。返回到正常操作时，蓝牙在退出保持状态后、发送信息前必须侦听主单元。
可以通过蓝牙链路控制命令，或者链路控制器内部信号控制链路控制器的状态。
查询周围的蓝牙设备时，可指定查询方式（GIAC：查询所有设备，DIAC：查询特定类型设备）
寻呼过程来建立连接，只能通过蓝牙的设备地址才能建立连接。

1.inquiry 和 inquiry scan：查询状态和查询扫描状态

inquiry 是主机主动扫描
inquiry scan是从机处于被扫描状态（只有此状态的从机可回应inquiry状态的主机）
查询过程：查询设备每312.5us切换一次频率，接收设备每1.28s切换一次监听频率（接收设备在每个频率上最多会监听到4096次查询请求）
查询的时使用通用查询接入码（GIAC-LAP低28位，0x9E8B33，此地址不可作为蓝牙设备地址）作为查询地址，查询时的跳频序列通过蓝牙内部高精度时钟和查询地址计算的来，因此在查询之前，需要对时钟进行同步（广播方式），最终产生32个查询跳变序列，均匀分布在79个信道上。

2.page 和 page scan：寻呼状态和寻呼扫描状态

page是主机主动请求连接状态
page scan是从机等待连接状态（只有此状态的从机能回应page状态的主机）
(参考文章：
《蓝牙设备发现与同步(page and inquire过程详解)》：http://blog.chinaunix.net/uid-21411227-id-5715874.html )

查询之后若范围内存在蓝牙设备，查询的主设备会会获取被查询设备的查询相应（返回每个被查询设备的地址）。
寻呼过程：查询设备每312.5us切换一次频率，接收设备每1.28s切换一次监听频率（接收设备在每个频率上最多会监听到4096次查询请求，这一点与查询过程相同）
寻呼过程使用被寻呼设备的地址（BT_ADDR低28位），确定跳变序列过程与查询过程相同（寻呼过程寻呼设备与被寻呼设备的时钟是否已经同步，这一点不是很清楚！）。

连接状态：寻呼后从设备相应则进入连接状态，否则进入待机状态。
连接状态时使用的跳变序列为主设备的地址（一对多连接时，不同连接设备对间彼此不会占用同一信道），连接双方每隔625us切换一次频率（每秒 1600次）。
产生的跳变序列是一串周期很长的整数序列（可理解为随机序列），每对连接的设备从整数序列中依此截取32个跳变序列（不一定就是32），每一个跳变时段内，多个连接设备对间不会共用同一信道。具体的长周期跳变序列参考论文《一种新的超长周期蓝牙跳频序列的构造及性能分析，郭岩》。
注意，寻呼状态直接从待机状态切换而来。（主动让从机进入寻呼扫描状态/查询扫描状态，此时不用可以区分，看主机发送的报文中是GISA还是本机地址即可区分），主机主动进入寻呼状态，如果主机知道要连接的从机的地址（已配对），则主机直接切换到寻呼状态，发送寻呼，此时主机切换到主机寻呼响应状态，从机接收到寻呼后（因为主机寻呼的数据中包含从机的地址），从机进入从机寻呼响应状态，若从机给予回应，此回应返回主机。若从机再次发送回应，则从机进入连接状态，同时切换跳频序列参数为通过主机地址计算的（此之前的是通过“被”寻呼地址计算的），回应到达主机，主机进入连接状态，同时开始使用和从机同样的调频序列参数（这里保证永远从机先于主机进行跳频）。若上述任意过程产生错误或者不回应时，在延时机制下，回退到待机模式并产生错误报告。
若主机知道要连接的从机设备，不管其在不在自己的有效连接范围内，可直接进行寻呼（即主机的查询操作是可选的，非必需的）。
从机的查询扫描状态/寻呼扫描状态是从机主动进入的，二者不进行特别区分，或者统称为扫描状态，根据主机的查询或者寻呼操作来确定具体是什么状态。无论主机/从机，其对应的响应状态都是在接收了对方的回应数据后进入的。

理解为什么从机在寻呼过程中在接收到主机的寻呼数据后，要返回两次，加上主机的主动寻呼，一共四次通信，这个参考TCP的三次握手，只不过最后一次从机回应是为了告诉主机修改跳频序列的参数！

五、蓝牙连接状态

进入连接状态后，主机首先发送一个poll轮询数据，验证从机是否已经切换到自己的信道频率上，若从机不响应，主/从设备再次进入寻呼/寻呼扫描状态。

模式	解释
激活模式active	主设备时刻调整与从设备通信的数据，使其可以与自己同步。从设备监听主机数据，若数据包里的地址本机地址不匹配，则进入睡眠状态
呼吸模式sniff	从机进入呼吸模式后，从机只能监听，不能发送。进入呼吸模式之前，呼吸时隙间隔（主机只在特定时隙发送数据给该从机）需要协商
保持模式hold	主/从协商后，从机进入保持模式。此时保持连接，到达定时器定时时间后被唤醒（即处于保持模式的从机无法发送数据，但仍旧保持连接）保持期间对任何主机的数据都不响应（信道同步在唤醒之后进行）
休眠模式park	处于休眠模式的设备放弃活动地址，使用休眠地址（PM_ADDR，主机主动唤醒是使用）和请求接入地址（AR_ADDR，从机向主机请求使用）。处于休眠模式的设备周期的监听信道，调整时钟。休眠模式下的从机通过独立的信标信道向主机请求。通过休眠模式，一个主机可以连接255+7台设备，分时实现组网连接（同一时刻最多只能连接7台设备）

呼吸模式、保持模式、睡眠模式区别：呼吸模式增加从机收发周期，激活模式是呼吸间隔为0的呼吸模式；保持模式是自动挂起，一定时间后被唤醒，期间不断开已建立的连接（为了减轻主机的通信负担）；睡眠模式是长久挂机，只能通过请求来唤醒（唤请求可来自于主机或从机），睡眠期间断开连接，并进入park状态，唤醒后直接进入connect状态，实现快速连接。

处于这三个模式的从机不会主动发送数据，只会监听信道，实现时钟同步。
呼吸模式最主要的功能是：放慢通信的频率，不会在每个发送信道上都发送数据。
保持模式最主要的功能是：一对多连接时，减少主机的资源消耗。否则，7个从机从不同信道发送数据过来，主机的天线瞬间会接收到一组数据，主机只需要根据跳频序列切换接收频率轮询，便可接收到全部7个数据，但之后上传到主机应用层，需要串行传输，容易产生阻塞。通过保持模式，减少最终串行传输的数据量。
休眠模式最主要功能是：快速实现多连接，同时人为控制挂起和唤醒（保持模式是人为挂起，自动唤醒）。

为减低蓝牙功耗，有数据才发送，否则不发送。接收时先判断接入码（数据包中的地址信息），接入码匹配，则唤醒接收单元，否则进入呼吸模式（也可以说睡眠模式，等待下一次接收并判断接入码）。每次数据的分组头里会包含一些信息，指示后面还有多少数据包，会占用多少时隙等等。

功耗问题：呼吸<保持<休眠，因为休眠需要时刻监听主机的唤醒，保持需要定时器计时自动唤醒，而呼吸根据协商好的呼吸时隙自动唤醒。呼吸模式除了正常的监听和同步，不进行其他工作，休眠模式会额外的启动接收头识别唤醒命令。

若主机的某个发送时隙内，未对一个从设备进行发送操作，则该从设备进入休眠模式，当从设备在自身的发送时隙内想要发送，则需要发送请求接入命令，然后被唤醒，再进行数据发送。

六、蓝牙连接状态

蓝牙的跳频方案选择：
通过蓝牙地址的低28位和主机时钟（从机的时钟会与主机时钟同步），这24位地址为蓝牙地址（其中低24位LAP，为每个厂家蓝牙特有，高4位UAP位厂家编号的低4位，为厂家标识，固定），因此每个蓝牙地址是不重复的。
跳频方案是79个跳频点的升序排序，先偶频率点后奇频率点。蓝牙地址和主机时钟会生成一个选择序列（这个序列对79求模，在跳频序列中选择），跳频选择序列的周期是227，可均匀遍历79个跳频点。
下面图的理解：类似程序求3×4，你可以通过查九九乘法表，也可以直接求。所以跳频选择只是在一个长度为227的选择序列上挑选32个值，这32个值对79求模，在79个频点上选择，因此对于一个确定的地址和一个确定的时钟同步时刻，32跳频序列是固定的，且通信时只在这32个序列里循环。
(参考文章：
《介绍下蓝牙的几种跳频序列》：https://www.eefocus.com/majianhui/blog/09-12/182434_16fbb.html )

七、链路管理器协议

确定发送数据所使用的分组大小
管理蓝牙的功率模式和在微微网中的状态
处理链路和密钥的生成、交换和控制
LM层会对接收的有效载荷头部进行识别，确定发送方式（是否是L2CAP），LM层可过滤并解析数据，决定是否继续向高层转发。

其他参考文章（通信方面）：
《蓝牙的应用中，什么是“单模”？什么是“双模”？》：https://zhidao.baidu.com/question/1900115612738386620.html
《白噪声粉红噪声的区别何在？》：http://www.szpa.com/yinxxt381.html
《频分多址、时分多址、码分多址》：https://blog.csdn.net/wynter_/article/details/78198843
《蓝牙地址的规则》：https://blog.csdn.net/sunrock/article/details/6577747
《基于时钟和地址的跳频序列的产生和性能分析》：https://wenku.baidu.com/view/155ebd3310661ed9ad51f373.html