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）

蓝牙核心技术概述（一）：蓝牙概述
蓝牙核心技术概述（二）：蓝牙使用场景
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）
蓝牙核心技术概述（四）：蓝牙协议规范（HCI、L2CAP、SDP、RFOCMM）
蓝牙核心技术概述（五）：蓝牙协议规范（irOBEX、BNEP、AVDTP、AVCTP）

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。
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）。

地理位置	ISM频段范围	射频信道频率
中国、美国、欧洲	2400.0～2483.5MHz	F=(2402+k)MHz,k在0、1、……78中随机取值
法国	2446.5～2483.5MHz	F=(2454+k)MHz,k在0、1、……22中随机取值
日本	2471.0～2497.0MHz	F=(2473+k)MHz,k在0、1、……22中随机取值
西班牙	2445.0～2475.0MHz	F=(2449+k)MHz,k在0、1、……22中随机取值

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。
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；

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。

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。

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。

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；
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：

分组类别	Type(b3b2b1b0)	时隙	SCO	ACL
链路控制分组	0000	1	NULL	NULL
	0001		POLL	POLL
	0010		FHS	FHS
	0011		DM1	DM1
单时隙分组	0100	1	未定义	NULL
	0101		HV1
	0110		HV2
	0111		HV3
	1000		DV
	1001		NULL	AUX1
3时隙分组	1010	3	未定义	DM3
	1011			DH3
	1100			未定义
	1101
5时隙分组	1110	5	未定义	DM5
	1111

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
ALC 分组：

类型	有效载荷头/字节	用户有效载荷/字节	FEC	CRC	对称最大速率/kbps	非对称速率/kbps
						前向	后向
DM1	1	0～17	2/3	有	108.8	108.8	108.8
DH1	1	0～27	无	有	172.8	172.8	172.8
DM3	2	0～121	2/3	有	258.1	387.2	54.4
DH3	2	0～183	无	有	390.4	585.6	86.4
DM5	2	0～224	2/3	有	286.7	477.8	36.3
MH5	2	0～339	无	有	433.9	723.2	57.6
AUX1	1	0～29	无	无	185.6	185.6	185.6

 SCO分组：

类型	有效载荷头/字节	用户有效载荷/字节	FEC	CRC	有效载荷长度	同步速率/kbps	占用Tsco数目/语言长度
HV1	无	10	1/3		240位	64	2/1.25ms
HV2		20	2/3				4/2.5ms
HV3		30	无				6/3.75ms
DV	1D	10+(0-9)D	2/3D	有D		64+57.6D

注释：D 只对数据段有用，DV分组包含数据段，也包含语言段。
（3）、有效载荷
分语言有效载荷、数据有效载荷。
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
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；
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。
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。
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。
（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。

SR模式	Tpage scan	寻呼次数Npage
R0	连续	>=1
R1	<=1.28S	>=128
R2	<=2.56S	>=256
预留	--	--

（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
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。
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。
2、链路管理器协议规范
（1）、设备功率管理
         RSSI保持模式、呼吸模式、休眠模式。
（2）、链路质量管理 QoSQuality of Service
A、ACL链路。
B、SCO链路。
（3）、链路控制管理
设备寻呼模式、设备角色转换、时钟计时设置、信息交换:版本信息、支持特性、设备名称；建立连接、链路释放。
（4）、数据分组管理