蓝牙协议5.0 第6卷 翻译

第A篇：物理层

1、总览

蓝牙低功耗（BLE）设备工作于免许可的2.4GHz ISM（工业、科学、医学）频带，使用频率跳动传输来减少干扰和衰减

请注意，本部分中定义的传输不符合一些政府规定里“频率跳动”的要求。查 看Bluetooth Low Energy Regulatory Aspects White Paper以获取更多信息。

。
定义了两种调制方式。必须的调制方式（1M调制）使用了成型的，二进制调频来减少传输复杂度。它的符号速率是1M符号/秒。可选调制方式（2M调制）与它类似，但是使用了2M的符号速率。
1M调制支持两种物理信道：

• LE 1M，1Mb/s的未编码数据；
• LE 编码，包含接入地址，编码标识，还有报文中125kb/s的TERM1域和125kb/s或者500kb/s的有效负载

设备必须支持LE 1M的物理信道。LE编码物理信道的支持是可选的。

2M调制支持唯一的物理信道：

• LE 2M，2Mb/s的未编码数据

两种调制方式都使用了时间分割双工（TDD）方式。本规范定义了用于低功耗的用于低功耗天线的蓝牙天线规格要求。
要求是根据以下两个原因来确定的：

• 为系统中不同天线提供兼容
• 定义系统质量

LE天线应有发射器或者接收器，或者两者都有

LE天线应当满足由设备制造商说明的运行条件的要求（见附录A.1）

本规范基于欧洲、日本、北美、中国台湾、南韩和中国大陆的已有规则，下面列出的文档仅供参考，并且会经常改变或者修订。

蓝牙技术联盟维护2.4GHz ISM频带的蓝牙技术相关的管理内容，发布网址为https://www.bluetooth.org/regulatory/newindex.cfm

欧洲：
认证标准：欧洲电信标准协会，ETSI
文档：EN 300 328, EN 300 440, EN 301 489-17
日本：
认证标准：日本广播法：JRL
文档：日本广播法：Article 4.3, Article 28, Article 29, Article 38
无线设备规范：Article 5, Article 6, Article 7, Article 14,
Article 24, Article 9.4, Article 49.20.1.C.2, Article 49.20.1.E.3
无线法强制规范：Article 6.2, Article 6.4.4.1, Article 7
北美：
认证标准：联邦通信委员会，NCC，USA
文档：CFR47, Part 15: Sections 15.205, 15.209 and 15.247
认证标准：加拿大工业部，IC，Canada
文档：RSS-210 and RSS139
中国台湾：
认证标准：国家通信传播委员会，NCC
文档：Low Power 0002 (LP0002); Low-power Radio-frequency Devices
Technical Regulations
南韩：
认证标准：韩国通信传播委员会，KCC
文档：Rules on Radio Equipment 2008-116
中国大陆：
认证标准：工业和信息化部，MIIT
文档：MIIT regulation [2002]353

2、频带和频道分配

LE系统工作于2.4GHz ISM频带，频率范围为2400-2483.5 MHz. LE系统使用了40个RF频道，这些RF频道有中心频率2402 + k * 2 MHz, 其中 k = 0, …, 39.

标准范围	RF频道
2.400-2.4835 GHz	f=2402+k*2 MHz, k=0, … ,39

表2.1：工作频带

3、发射特征

本部分阐述的需求表示为LE设备天线连接器的功率等级。如果设备没有连接器，就要确保有0增益的参考天线。
由于天线精确测量的复杂性，使用集成天线的系统应当提供临时的天线连接器，以用于LE物理信道质量测试。
对发射器来说，最大功率设置下的输出功率应在表3.1的限制范围内

最小输出功率	最大输出功率
0.01 mW (-20 dBm)	100 mW (+20 dBm)

表3.1：发射功率
设备在某地区出售或者打算使用时，不得超过所在地区具有管辖权的监管机构规定的最大允许发射功率等级。实现者需要了解，对于不同的调制方式，规定允许的最大发射功率可能不一样。
注意：v4.0，v4.1 和 v4.2的lE最大输出功率是10mW
注意：在距离较短时使用高输出功率会导致接收端饱和从而连接失败。使用者应当避免在这类场景中使用高输出功率，或者建立机制来两种或两种以上功率等级间切换以建立、重建立或保持连接。
设备的输出功率控制可以本地化，例如优化功率消耗和减少对其他设备的干扰。
蓝牙设备可根据LE物理信道支持的最大输出功率来分类，如表3.2所示

功率分类	最大输出功率（Pmax）	最小输出功率
1	100mW(+20dBm)	10mW(+10dBm)
1.5	10mW(+10dBm)	0.01mW(-20dBm)
2	2.5mW(+4dBm)	0.01mW(-20dBm)
3	1mW (0dBm)	0.01mW(-20dBm)

表3.2：LE物理信道功率分类

——
在最大功率设置下的最小输出功率

3.1 调制特征

该调制使用的是0.5BT高斯频移键控（GFSK）调制技术。调制指数应该在0.45到0.55之间。正的频率偏移表示二进制1，负的频率偏移表示二进制0.

图3.1：GFSK参数定义
对于每次发射，最小频率偏移为
Fmin = min{ |Fmin+ |， Fmin- }
对应于1010序列，不能小于发射频率(0000 1111序列)对应的频率偏移的80%
当以1M符号每秒（Msym/s）的符号速率发射时，频率偏移不能小于185kHz，当以2M符号/秒的符号速率发射时，频率偏移不能小于370kHz. 符号时间准确度必须优于百万分之±50.
零交叉误差是指理想符号周期和测量交叉时间的时间差。它应当在一个符号周期的±1/8 内

3.1.1 稳定的调制指数

有稳定调制指数发射天线的LE设备将通过特征支持机制来将这一事实通知给LE接受设备。这些发射机的调制指数应当在0.495和0.505之间。当设备应用于它支持的所有物理信道时，它只能声明它有稳定调制指数。
没有稳定调制指数的设备被认为有标准调制指数。

3.2 杂散发射

3.2.1 调制频谱

产品要想满足FCC 15.247部分的规则，发射频谱的最小6dB带宽必须为至少500kHz，使用100kHz的带宽分辨率

3.2.2 带内杂散发射

频道邻近功耗对于1M符号/秒调制（应用于LE 1M和LE编码物理信道）是指离载波至少2MHz的频道的功耗，对于2M符号/秒调制（应用于LE 2M物理信道）是指离载波至少4MHz的频道的功耗。邻近功耗定义为1MHz带宽范围的测量功耗之和。

频谱测量是通过100kHz分辨率带宽和平均监测器来实现的。设备在RF信道上发射中心频率应为M，邻近频率应当在1MHz RF频率N上测量。在测试中，发射器在负载中应发送随机的数据模板。

频率偏移	杂散功耗
2 MHz (|M-N| = 2)	-20dBm
3 MHz 或者更大 (|M-N| ≥ 3)	-30 dBm

表3.3：1M符号/秒发射时的发射频率覆盖

频率偏移	杂散功耗
4 MHz (|M-N| = 4)	-20dBm
5 MHz (|M-N| = 5)	-20dBm
6 MHz 或者更大 (|M-N| ≥ 6)	-30 dBm

表3.4：2M符号/秒发射时的发射频率覆盖

额外的允许三个1MHz宽的频带，中心频率为1MHz的整数倍。这些例外应当有-20dBm或者更少的绝对值。

3.2.3 带外杂散发射

设备制造商有责任满足销售地的ISM杂散发射要求。

3.3 无线频率容差

与中心频率的的偏移不能超过±150 kHz，包括初始频率偏差和漂移。对于任何包，频率漂移必须小于50kHz. 漂移速率必须小于400 Hz/µs.
发射中心频率漂移限制如表3.5所示

参数	频率漂移
最大漂移	±50 kHz
最大漂移速率	400 Hz/μs

表3.5 最大频率漂移
————
最大频率漂移速率在包内任何地方都允许。

4、接收特征

本章涉及的灵敏等级是-70dBm. 所有接收器特征测量都应使用与比特误码率（BER）一致的包误码率。

4.1 实际灵敏度水平

实际灵敏度水平定义为接收器输入等级，必须达到表4.1中指定的BER.

最大负载长度（字节数）	BER（%）
≤ 37	0.1
≥ 38 并且 ≤ 63	0.064
≥ 64 并且 ≤ 127	0.034
≥ 128	0.017

表4.1：最大负载长度的灵敏度BER

给定物理信道的接收器实际灵敏等级由表4.2所示。它适用于任何遵循第3部分规则的发射器，还包括了以下参数的变化：

• 初始频率偏移
• 频率漂移
• 符号速率
• 频率误差

物理信道	灵敏度（dBm）
LE未编码信道	≤ -70
LE编码信道，S=2	≤ -75
LE编码信道，S=8	≤ -82

表4.2：给定物理信道的接收器灵敏度

4.2 干扰性

干扰性在参考灵敏等级3dB以上来测量。如果干扰信号的频率在2400-2483.5 MHz之外，就要适用带外阻塞规范（见4.3节）。需要的信号和干扰信号都在4.6节中定义。在表4.3、4.4、4.5、4.6列出的信噪比中，BER应当≤0.1%

干扰频率	比例
同频干扰，C/Ico-channel	21dB
邻近（1MHz）干扰， C/I 1MHz	15dB
邻近（2MHz）干扰， C/I 2MHz	-17dB
邻近（≥3MHz）干扰C/I ≥3MHz	-27dB
镜像频率干扰，C/I Image	-9dB
带内镜像频率邻近（1MHz）干扰，C/I Image±1MHz	-15dB

表4.3：LE 1M物理信道干扰性

干扰频率	比例
同频干扰，C/Ico-channel	21dB
邻近（2MHz）干扰， C/I 2MHz	15dB
邻近（4MHz）干扰， C/I 4MHz	-17dB
邻近（≥6MHz）干扰C/I ≥6MHz	-27dB
镜像频率干扰，C/I Image	-9dB
带内镜像频率邻近（2MHz）干扰，C/I Image±2MHz	-15dB

表4.4：LE 2M物理信道干扰性

干扰频率	比例
同频干扰，C/Ico-channel	12dB
邻近（1MHz）干扰， C/I 1MHz	6dB
邻近（2MHz）干扰， C/I 2MHz	-26dB
邻近（≥3MHz）干扰C/I ≥3MHz	-36dB
镜像频率干扰，C/I Image	-18dB
带内镜像频率邻近（1MHz）干扰，C/I Image±1MHz	-24dB

表4.5：LE 编码物理信道S=8加密（125kb/s数据速率）干扰性

干扰频率	比例
同频干扰，C/Ico-channel	17dB
邻近（1MHz）干扰， C/I 1MHz	11dB
邻近（2MHz）干扰， C/I 2MHz	-21dB
邻近（≥3MHz）干扰C/I ≥3MHz	-31dB
镜像频率干扰，C/I Image	-13dB
带内镜像频率邻近（1MHz）干扰，C/I Image±1MHz	-19dB

表4.6：LE 编码物理信道S=2加密（500kb/s数据速率）干扰性
注意：

• 如果表4.3、4.4、4.5、4.6中的邻近频率应用于同频，那么就要用更松散的规则
• 带内镜像频率
• 如果镜像频率不等于n1MHz，那么镜像频率就定义为最近的n1MHz，n为整数
• 如果镜像频率不等于n2MHz，那么镜像频率就定义为最近的n2MHz，n为整数
  所有不满足要求的频率都被称为假响应RF频道。当以1M符号/秒接收时，允许≥2 MHz假响应频道，当以2M符号/秒接收时，允许≥4 MHz假响应频道；不同的假响应频道允许两种调制方法。它排除了1M符号/秒和2M符号/秒的镜像频率，1M符号/秒±1MHz的镜像频率，2M符号/秒±2MHz的镜像频率。在这些假响应频道，1M符号/秒和2M符号/秒都需满足-17dB的宽松干扰需求。

4.3 带外阻塞

带外阻塞应用于2400-2483.5 MHz频带之外的干扰信号。带外抑制（或阻止）应在参考灵敏等级3dB以上测量。干扰信号应当为连续波形。需求信号应当为4.6节中指出的参考信号，中心频率2426MHz。BER应当为≤0.1%. 带外阻塞应满足以下需求：

干扰信号频率	干扰信号功率等级	测量分辨率
30 MHz – 2000 MHz	-30dBm	10MHz
2003 – 2399 MHz	-35dBm	3MHz
2484 – 2997 MHz	-35dBm	3MHz
3000 MHz – 12.75 GHz	-30dBm	25MHz

表4.7：带外抑制（或阻止）要求
10个例外中，取决于给定RF频道并且集中于1MHz的整数倍：

• 最少7个假响应频率，减少干扰等级至少到-50dBm已期达到BER ≤ 0.1%
• 最大3个假响应频率，干扰等级可以低一些

4.4 互调制特征

实际灵敏性， BER ≤ 0.1%，能满足以下条件：

• 需要的信号频率f0，功率在参考灵敏等级以上6dB. 需要的信号在4.6节中指定
• 静态正弦波信号频率f1，功率等级-50dBm
• 干扰信号f2，功率等级-50dBm. 干扰信号在4.6节中指定

当接收到1M符号/秒调制时，选取频率f0、f1、f2，这样f0 = 2 * f1 - f2 并且| f2-f1 | = n * 1MHz, n 值可以取 3, 4, 或 5.
当接收到2M符号/秒调制时，选取频率f0、f1、f2，这样f0 = 2 * f1 - f2 并且| f2-f1 | = n * 2 MHz, n 值可以取 3, 4, 或 5.
系统必须满足至少三个选择（n=3,4或5）；不同的调制方法能用不同的选择。

4.5 最大使用等级

接收器能操作的最大使用输入等级应能大于-10dBm，在-10dBm输入功率时BER应小于等于0.1%. 输入信号应当为4.6节中的参考信号。

4.6 参考信号定义

LE参考信号定义为：
调制方法 GFSK
调制指数 标准0.5 ± 1% , 稳定0.5 ± 0.5%
BT = 0.5 ± 1%
数据比特率 =

• 1 Mb/s 百万分之±1 对于 LE 1M PHY
• 2 Mb/s 百万分之±1 对于 LE 2M PHY
• 125 kb/s 百万分之±1 对于 LE Coded PHY 使用 S=8 编码
• 500 kb/s 百万分之±1 对于 LE Coded PHY 使用 S=2 编码
  需要的信号调制数据 PRBS9
  干扰信号调制数据 PRBS15
  频率精确度优于百万分之±1

4.7 稳定调制指数

LE设备可能有接收器能利用远端设备支持稳定调制指数-发射特征（见B篇4.6节）。这样一个接收器有稳定调制指数支持。

附录A 测试条件

A.1 标准操作条件（NOC）

A.1.1 标准温度和空气湿度

标准操作温度应由产品厂商声明。额定测试温度应在标准操作温度±10°C范围内。

A.1.2 额定供电电压

标准测试条件的额定测试电压应当为产品厂商声明的额定供电电压。

第B篇 链路层

1、总则

1.1 链路层状态

链路层的操作能按照以下五个状态组成的状态机来描述：

• 闲置状态
• 广播状态
• 扫描状态
• 初始化状态
• 连接状态

链路层状态机在同一时间只允许一个状态激活。链路层应当至少有一个支持广播或者扫描的状态机。链路层可能有链路层状态机的多个实例。
链路层在闲置状态时不发送或接受任何报文。闲置状态可由任何其他状态进入。
链路层在广播状态时会发送广播频道的报文并可能监听并回应这些广播频道的报文。广播状态的设备被称为广播者。广播状态能从闲置状态进入。
链路层在扫描状态时会监听来自广播设备的广播频道报文。扫描状态的设备被称为扫描者。扫描状态能从闲置状态进入。
链路层在初始化状态时会监听指定设备的广播频道报文，并且应答这些报文以初始化和另一设备的连接。初始化状态的设备被称为初始化者。初始化状态能从闲置状态进入。
连接状态能从初始化状态或者广播状态进入。连接状态的设备被认为在连接中。
连接状态中，定义了两个角色：

• 主角色
• 从角色

当从初始化状态进入时，连接状态在主角色。当从广播状态进入时，连接状态在从角色。
连接状态主角色将与从设备通信，并且定义传输时间控制。
连接状态从角色将与唯一的主设备通信。

图1.1 链路层状态机状态图

1.1.1 允许状态和角色联合限制

链路层能选择性地支持多个状态机。如果它支持多个状态机，那么：

• 链路层在连接状态能同时担任主角色和从角色
• 链路层在从角色能有多个连接
• 链路层在主角色能有多个连接
• 所有其他状态和角色的组合都能支持
• 一个链路层和另外一个链路层最多能有一个连接

链路层实现时不需要支持规范允许的所有可能的状态组合。然而，只要它支持表1-1.1中的A组合，就必须支持B组合。

A组合	B组合
初始化状态加上任意C组合	连接状态（主角色）加上相同的C组合
连接状态（主角色）加上初始化状态加上任意C组合	连接状态（主角色）到超过一个从设备加上相同的C组合
可连接或定向广播状态加上任意C组合	连接状态（从角色）加上相同的C组合
连接状态（从角色）加上可连接或定向广播状态加上任意C组合	连接状态（从角色）到超过一个主设备加上相同的C组合

表1.1：支持的状态或状态组合的要求
在每种情况中，C组合可以为空，注意，在后两行中，其他状态包括可连接或定向广播。

1.1.2 仅支持某些状态的设备

仅支持某些状态或者连接状态的一个角色的设备不需要支持它不支持的状态或模式的特征（包括支持特定PDU，流程，数据长度，HCI命令或者HCI命令的特定功能）。

1.2 位序

当定义链路层规范中包或者PDU的域时，位序遵循小端格式。使用了如下规则：

• 最低有效位（LSB）对应b0
• LSB是在空气中传输的第一位
• 画图时，LSB在最左边

此外，链路层中定义的数据域，例如PDU头域，应当以LSB为头来传输。例如，一个三位参数X=3发送为：
b0b1b2 = 110
在空气中，先发1，再发1，最后发0. 规格中展示为110.
本规范中指定的遵循格式10101010b（例如，2.1.2节中的广播频道接入地址）的二进制域是从MSB到左书写的。有两种基本格式：一种是2.1节中描述的LE未加密物理信道，另一种是2.2节中描述的LE加密物理信道。
多字节域，除了循环冗余校验（CRC）和信息完整度检验（MIC）外，应当以最低有效字节为首来发送。多字节域内的每一个字节，除了CRC（见3.1.1节）之外，应当以LSB为首来依次发送。例如，广播频道PDU的48位地址，会先发送最低有效字节，然后按递增的顺序依次发送剩余的5个字节。
规则中指定的多字节域（例如，2.3.3.1节中的CRC初始值），是从最高有效位到左书写的；例如0x112233445566，字节0x11是最高有效位。

1.3 设备地址

设备通过设备地址来识别。设备地址可能是公共地址或者随机地址。公共地址和随机地址长度都是48位。
一个设备应使用最少一个地址并且可以两个都包含。
一个设备的识别地址是它传输的报文中的公共地址或随机静态地址。如果一个设备使用可解析的私有地址，它也有了识别地址。

1.3.1 公共设备地址

公共设备地址按照第二卷B部分1.2节内容来创建，地址低位的限制不再适用，除非该地址还要用于BR/EDR蓝牙控制器的BD_ADDR.

1.3.2 随机设备地址

随机设备地址可以是以下两种子类型中的一种：

• 静态地址
• 私有地址

随机设备地址的概念中包含静态地址和私有地址两种。
随机设备地址的发送是可选的。设备应当能接受远端设备的随机设备地址。

1.3.2.1 静态设备地址

静态地址是48位随机生成密码，需要满足以下要求：

• 两个最高有效位应等于1
• 至少一个随机位等于0
• 至少一个随机位等于1

静态地址格式如图1.2所示

图1.2：静态地址格式
设备可能每次重启都会将静态地址初始化为新值。设备初始化好静态地址值后， 直到重启才会更改。
注意：如果设备的静态地址改变，在配对设备中存储的地址就无法生效，使用旧地址来重连的能力就会丧失。

1.3.2.2 私有设备地址生成

私有地址可能是以下两种子类型中的一种：

• 不可解析的私有地址
• 可解析的私有地址

为了创建一个不可解析的私有地址，设备应当创建一个48位地址，并满足以下要求：

• 地址的两个最高有效位应当为0
• 地址的随机部分至少有一个为1
• 地址的随机部分至少有一个为0
• 地址不能等于公共地址

不可解析的私有地址格式如图1.3所示

图1.3：不可解析的私有地址格式
为了创建可解析的私有地址，设备必须有本地认证解析钥（IRK）或者配对认证解析钥。可解析私有地址能用IRK和随机生成24位数来创建。随机数被命名为prand，应当满足以下要求：

• prand的两个最高有效位应该等于0和1，如图1.4所示
• prand至少有一位为0
• prand至少有一位为1

可解析私有地址格式如图1.4所示

图1.4：可解析私有地址格式
哈希值是用卷3H部分2.2.2节定义的随机地址函数ah生成的，输入参数k值为设备IRK，输入参数r值为prand.
hash = ah(IRK, prand)
prand和hash用以下方式串起来生成随机地址（randomAddress）：
randomAddress = hash || prand
hash的最低有效位是randomAddress的最低有效位，prand的最高有效位是randomAddress的最高有效位

1.3.2.3 私有设备地址解析

如果相应设备的IRK可通过此流程获得，可解析私有地址就能被解析。如果可解析私有地址解析了，设备就能通过此地址联系到配对设备。
可解析私有地址（RPA）分开为24位随机部分（prand）和24位哈希部分（hash）. RPA的最低有效位是哈希的最低有效位，RPA的最高有效位是prand的最高有效位。localHash是使用第三卷H部分2.2.2节定义的随机地址哈希函数ah来生成，输入参数k设为已知设备的IRK，输入参数r设为RPA中提取出的prand值。
localHash = ah(IRK, prand)
localHash值然后与RPA中提取出的hash值比较。如果localHash值与提取出的hash值相同，那么配对设备的识别就实现了。
如果设备存储了超过一个IRK，设备对存储的每一个IRK重复以上流程，以确定是否接收的可解析私有地址与存储的一个IRK有关联，直到有一个IRK的地址解析是成功的或者或者所有的都试过了。
注意：不能用T_IFS解析私有地址的设备能在下一个事件到来时应答。
一个不可解析的私有地址不能被解析。

1.4 物理频道

如第六卷A部分第2节所述，2定义了.4GHz ISM 频带的40 RF 频道。这些RF频道被分配为三组LE物理频带：广播，周期和数据。广播物理频道使用所有的40个RF频道来发现设备，初始化连接和广播数据。这些RF频道划分为