第一周工作总结——BLE: PHY & MAC

1. 总述

苹果的IBeacon协议基于蓝牙4.0协议中的BLE实现，因此在分析IBeacon之前，适当学习BLE协议是必要的，其中最重要的就是BLE的PHY层和MAC层协议。在PHY层，BLE采用了GFSK调制信号。在MAC层，BLE完成了packet的构造。这些内容将是本文介绍的重点。

2. BLE物理层

2.1 BLE工作频率和信道分配

BLE在2.4GHz ISM频段上工作，频率范围为2.400~2.4835GHz，其将这段频带分为40个带宽为2MHz的信道，其中第k个信道的中心频率计算如下：

f_{k} = 2402 + k * 2MHz, k = 0,..,39.

2.2 GFSK

2.2.1 基础知识

BLE采用GFSK调制，GFSK源于FSK，其基本思想是通过改变载波频率来携带调制输入符号。以2FSK为例，其输入符号为0和1，通过在输入0时将载波频率减小，在输入1时将载波频率增大，调制信号就携带了原始的数据信息。对于FSK而言，其输入的01序列（其中0被映射为-1）可以被看作方波，若在调制之前对该方波进行高斯滤波，用滤波结果进行频移键控，那我们就得到了GFSK。更多介绍参见文章 Implementation of Digital Signal Processing: Some Background on GFSK Modulation。

GFSK调制的参数主要有两个：一个是Modulation Index h，其控制了载波相位的变化速度，进而控制了GFSK的频偏程度；另一个是Bandwidth-Bit period Product BT，其用于确定高斯滤波的具体参数。在BLE中，h取值为0.45~0.55，BT取值为0.5。

2.2.2 GFSK在Gnuradio中的实现

Gnuradio并未采用编写独立的GFSK调制解调模块，而是利用已有的模块组合实现了GFSK调制解调功能，代码在gr-digital/python/digital/目录下，名称为gfsk.py。

其中调制模块主要由三部分组成，分别为：将二进制比特转化为非归零码，高斯滤波以及频移键控。而解调模块包括两部分：解调和时钟恢复。

2.3 符号速率和采样率

BLE的符号率是1Mbauds，而其并未规定采样率。GFSK正常工作要求每个符号的采样数至少在两个以上。在老师的建议下，我们确定每符号的采样数为8。

3. BLE MAC层

3.1 概述

BLE设备有5种工作状态，其中一种是Advertising，IBeacon设备就工作在这种状态，因此本文只涉及和Advertising相关的MAC层协议内容。发射BLE Packet时，除了CRC以外的其它部分均从小端开始传输，而CRC则从大端开始传输。设备地址是BLE Packet中的一个重要部分，协议规定了设备地址的长度为48bit，地址规范不再赘述。BLE将40个物理信道中的3个作为Advertising信道，分别是0,12,39，其对应索引号为37,38,39。

3.2 包格式

BLE MAC层的包格式如上图所示，其中Preamble用于同步发射机和接收机的载波频率和时钟，长度为8bit。在Advertising模式中，Preamble取值为10101010b；Advertising模式下的Access Address域的取值为10001110100010011011111011010110b(0x8E89BED6)；PDU域即BLE Packet的协议数据单元，其基本格式为16bit Header加上0~37byte的Payload。Header中包含了Length域用于指示Payload的长度，Type域则用于指示PDU的类别。对于IBeacon使用的ADV_IND PDU而言，Payload中的前6个byte是发射机的设备地址，其后则是上层协议的数据。CRC域由PDU计算得到。

3.3 数据处理流程

Advertising Packet PDU的比特流处理流程主要包括两步，第一步是计算PDU的CRC；第二部是做Data Whitening，即进行扰码操作（scramble），通过将PDU的数据比特与伪随机序列进行模二和消除代调制序列中的长0或长1序列，这些序列会造成接收机的直流偏执，影响信号接收。