藍牙 BLE 協議學習： 000-有關概念介紹

背景

在學校內就用過藍牙技術參加過比賽（並拿了獎）；而藍牙作為物聯網中比較常見的協議，有必要進行深入的學習。此后的文章會以 ble(v4.0) 進行學習。

介紹

藍牙技術最初由電信巨頭愛立信公司於 1994 年創制，當時是作為 RS232 數據線的替代方案。藍牙可連接多個設備，克服了數據同步的難題。隨着藍牙耳機、藍牙鼠標、藍牙音箱等藍牙設備漸漸充斥着我們的生活，藍牙早已不單純是數據線的替代方案。

如今藍牙由藍牙技術聯盟（Bluetooth Special Interest Group，簡稱 SIG）管理。藍牙技術聯盟在全球擁有超過 25,000 家成員公司，它們分布在電信、計算機、網絡、和消費電子等多重領域。

簡單地說，藍牙是一種短程寬帶無線電技術，是實現語音和數據無線傳輸的全球開放性標准。它使用跳頻擴譜（FHSS）、時分多址（TDMA）、碼分多址（CDMA）等先進技術，在小范圍內建立多種通信與信息系統之間的信息傳輸。

藍牙使用跳頻技術，將傳輸的數據分割成數據包，通過79個指定的藍牙頻道分別傳輸數據包。每個頻道的頻寬為1 MHz。藍牙4.0使用2 MHz 間距，可容納40個頻道。第一個頻道始於2402 MHz，每1 MHz一個頻道，至2480 MHz。有了適配跳頻(Adaptive Frequency-Hopping，簡稱AFH)功能，通常每秒跳1600次。

最初，高斯頻移鍵控(Gaussian frequency-shift keying，簡稱GFSK)調制是唯一可用的調制方案。然而藍牙2.0+EDR 使得 π/4-DQPSK和 8DPSK 調制在兼容設備中的使用變為可能。運行GFSK的設備可以以基礎速率(Basic Rate，簡稱BR)運行，瞬時速率可達1Mbit/s。增強數據率(Enhanced Data Rate，簡稱EDR)一詞用於描述π/4-DPSK 和 8DPSK 方案, 分別可達2 和 3Mbit/s。在藍牙無線電技術中，兩種模式(BR和EDR)的結合統稱為"BR/EDR射頻"。

藍牙是基於數據包、有着"主從架構"的協議。一個主設備至多可和同一網域中的七個從設備通訊。所有設備共享主設備的時鍾。分組交換基於主設備定義的、以312.5µs為間隔運行的基礎時鍾。兩個時鍾周期構成一個625µs的槽，兩個時間隙就構成了一個1250µs的縫隙對。在單槽封包的簡單情況下，主設備在雙數槽發送信息、單數槽接受信息。而從設備則正好相反。封包容量可長達1、3、或5個時間隙，但無論是哪種情況，主設備都會從雙數槽開始傳輸，從設備從單數槽開始傳輸。

Bluetooth的主要技術特點：

（1）、工作頻段 ：2.4GHz的工科醫（ISM）頻段，無需申請許可證。大多數國家使用79個頻點，載頻為(2402+k)MHz（k=0，1, 2…78），載頻間隔1MHz。采用TDD時分雙工方式。

（2）、傳輸速率：1Mb/s（V2.0以上版本）

（3）、調試方式：BT=0.5的GFSK調制，調制指數為0.28-0.35。

（4）、采用跳頻技術：跳頻速率為1600跳/秒，在建鏈時（包括尋呼和查詢）提高為3200跳/秒。藍牙通過快跳頻和短分組技術減少同頻干擾，保證傳輸的可靠性。

（5）、語音調制方式：連續可變斜率增量調制（CVSD，ContinuousVariable Slope Delta Modulation），抗衰落性強，即使誤碼率達到4%，話音質量也可接受。

（6）、支持電路交換和分組交換業務：藍牙支持實時的同步定向聯接（SCO鏈路）和非實時的異步不定向聯接（ACL鏈路），前者主要傳送語音等實時性強的信息，后者以數據包為主。語音和數據可以單獨或同時傳輸。藍牙支持一個異步數據通道，或三個並發的同步話音通道，或同時傳送異步數據和同步話音的通道。每個話音通道支持64kbps的同步話音；異步通道支持723.2/57.6kbps的非對稱雙工通信或433.9kbps的對稱全雙工通信。

（7）、支持點對點及點對多點通信：藍牙設備按特定方式可組成兩種網絡：微微網(Piconet)和分布式網絡(Scatternet)，其中微微網的建立由兩台設備的連接開始，最多可由八台設備組成。在一個微微網中，只有一台為主設備（Master），其它均為從設備（Slave），不同的主從設備對可以采用不同的鏈接方式，在一次通信中，鏈接方式也可以任意改變。幾個相互獨立的微微網以特定方式鏈接在一起便構成了分布式網絡。所有的藍牙設備都是對等的，所以在藍牙中沒有基站的概念。

（8）、工作距離：藍牙設備分為三個功率等級，分別是：100mW（20dBm）、2.5mW（4dBm）和1mW（0dBm），相應的有效工作范圍為：100米、10米和1米。

藍牙版本信息

藍牙的主要版本：1.1、1.2、2.0、2.1、3.0、4.0、5.0。

1.1版本

傳輸率約在748~810kb/s，因是早期設計，容易受到同頻率之產品所干擾下影響通訊質量。

1.2版本

同樣是只有748~810kb/s 的傳輸率，但在加上了(改善 Software)抗干擾跳頻功能。

2.0+EDR版本

是1.2的改良提升版，傳輸率約在1.8M/s~2.1M/s，開始支持雙工模式——即一面作語音通訊，同時亦可以傳輸檔案/高質素圖片，2.0 版本當然也支持 Stereo 運作。

應用最為廣泛的是Bluetooth2.0+EDR標准，該標准在2004年已經推出，支持Bluetooth 2.0+EDR標准的產品也於2006年大量出現。雖然Bluetooth 2.0+EDR標准在技術上作了大量的改進，但從1.X標准延續下來的配置流程復雜和設備功耗較大的問題依然存在。

2.1版本

更佳的省電效果：藍牙2.1版加入了SniffSubrating的功能，透過設定在2個裝置之間互相確認訊號的發送間隔來達到節省功耗的目的。

3.0+HS版本

2009年4月21日，藍牙技術聯盟(Bluetooth SIG)正式頒布了新一代標准規范"Bluetooth Core Specification Version 3.0 High Speed"(藍牙核心規范3.0版 )，藍牙3.0的核心是"GenericAlternate MAC/PHY"(AMP)，這是一種全新的交替射頻技術，允許藍牙協議棧針對任一任務動態地選擇正確射頻。最初被期望用於新規范的技術包括802.11以及UMB，但是新規范中取消了UMB的應用。

4.0 版本(也稱為Bluetooth Smart)

藍牙4.0的改進之處主要體現在三個方面：電池續航時間、節能和設備種類上。

4.0版本的一般性改進包括推進藍牙低功耗模式所必需的改進、以及通用屬性配置文件(GATT)和AES加密的安全管理器(SM)服務

藍牙4.0包括2個版本，再細分的話是3個子規范，即經典藍牙（BT、其中包括傳統藍牙技術v1.x v2.0、高速藍牙v3.0）和新的藍牙低功耗技術（BLE, Bluetooth Low Energy Module）。

• 1. 經典藍牙: 經典藍牙包括舊有藍牙協議
• 2. 高速藍牙: 高速藍牙基於Wi-Fi
• 3. 藍牙低功耗協議: 藍牙低功耗，也就是早前的Wibree，是藍牙4.0版本的一個子集，它有着全新的協議棧，可快速建立簡單的鏈接。

低功耗藍牙是建立在傳統藍牙基礎之上繼而發展的。藍牙低功耗技術采用可變連接時間間隔，這個間隔根據具體應用可以設置為幾毫秒到幾秒不等。另外，因為BLE技術采用非常快速的連接方式，因此可以處於“非連接”狀態（節省能源），此時鏈路兩端相互間僅能知曉對方，必要時可以才開啟鏈路，然后在盡可能短的時間內關閉鏈路。

作為藍牙1.0 ~ 3.0版本中藍牙標准協議的替代方案，BLE主要面向對功耗需求極低、用紐扣電池供電的應用。芯片設計可有兩種：雙模、單模和增強的早期版本。

• 單模情況下，只能執行低功耗的協議棧。意法半導體、笙科電子、CSR、北歐半導體和德州儀器已經發布了單模藍牙低功耗解決方案。單模芯片的成本降低，使設備的高度整合和兼容成為可能。它的特點之一是輕量級的鏈路層，可提供低功耗閑置模式操作、簡易的設備發現、和可靠地點對多數據傳輸，並擁有成本極低的高級節能和安全加密連接
• 雙模情況下，Bluetooth Smart功能整合入既有的經典藍牙控制器。截至2011年3月，高通創銳訊、CSR、博通和德州儀器已宣布發表符合此標准的芯片。適用的架構共享所有經典藍牙既有的射頻和功能，相比經典藍牙的價格上浮也幾乎可以忽略不計

擁有低成本，跨廠商互操作性，3毫秒低延遲、100米以上超長距離、AES-128加密等諸多特色此外，藍牙4.0的有效傳輸距離也有所提升。3.0版本的藍牙的有效傳輸距離為10米(約 32英尺)，而藍牙4.0的有效傳輸距離最高可達到100米(約328英尺)。

5.0版本

藍牙5.0針對低功耗設備，有着更廣的覆蓋范圍和相較四倍的速度提升。藍牙5.0會加入室內定位輔助功能，結合Wi-Fi可以實現精度小於1米的室內定位。

低功耗模式傳輸速度上限為2Mbps,是之前4.2LE版本的兩倍。有效工作距離可達300米，是之前4.2LE版本的4倍。添加導航功能，可以實現1米的室內定位。

為應對移動客戶端需求，其功耗更低，且兼容老的版本。

藍牙 系統 構成

1、Radio ： 無線射頻單元：
負責數據和語音的發送和接收，特點是短距離、低功耗。藍牙天線一般體積小、重量輕，屬於微帶天線。

2、LinkController ：基帶或鏈路控制單元：
進行射頻信號與數字或語音信號的相互轉化，實現基帶協議和其它的底層連接規程。

3、LinkManager：鏈路管理單元：
負責管理藍牙設備之間的通信，實現鏈路的建立、驗證、鏈路配置等操作。

4、藍牙軟件協議實現：
Host部分，不同的主機可以移植不同的協議棧。一般藍牙芯片通過UART、USB、SDIO、I2S、PcCard和主控芯片通信。

藍牙協議規范

按照藍牙協議的邏輯功能，協議堆棧分為3個部分:應用協議、中介協議、傳輸協議。

某個協議的實現代碼稱為協議棧（protocol stack）

傳輸協議

負責藍牙設備間，互相確認對方的位置，以及建立和管理藍牙設備間的物理鏈路；

• 底層傳輸協議：藍牙射頻（Radio）部分、基帶鏈路管理控制器（Baseband&Link Controller）、鏈路管理協議（Link ManagerProtocol LMP）。負責語言、數據無線傳輸的物理實現以及藍牙設備間的聯網組網。
• 高層傳輸協議：邏輯鏈路控制與適配器（LogicalLink Control and Adaptation Protocol）L2CAP 、主機控制接口（HostControl Interface，HCI）。為高層應用屏蔽了跳頻序列選擇等底層傳輸操作，為高層程序提供有效、有利於實現數據分組格式。

中介協議

為高層應用協議或者程序，在藍牙邏輯鏈路上工作提供必要的支持，為應用提供不同標准接口。

• 串口仿真協議：RFCOMM、服務發現協議：SDP、互操作協議IrDA、網絡訪問協議：PPP、IP、TCP、UDP、電話控制協議：TCS、AT指令集。

應用協議

藍牙協議棧之上的應用軟件和所涉及到的協議，如：撥號上網、語言功能的應用程序。

藍牙的應用框架如下：

1. 通用應用類框架：查詢、建立連接服務等；
2. 藍牙電話應用類框架：電話控制、語言；
3. 藍牙連網應用類框架：網絡應用相關；
4. 對象交互服務類框架：IrDA、OBEX；
5. 藍牙音視頻控制類框架。

完整的藍牙協議棧如下圖所示，不是任何應用都必須使用全部協議，而是可以只使用其中的一列或多列。

藍牙主從模塊

1. 主機就是能夠搜索別人並主動建立連接的一方
2. 從機則不能主動建立連接，只能等別人連接自己
3. 主從一體就是能夠在主機和從機模式間切換，即可做主機也可作從機

藍牙技術的優缺點

優點：

• 低功率，便於電池供電設備工作
• 便宜，可以應用到低成本設備上
• 同時管理數據和聲音傳輸
• 低延時

缺點：

• 傳輸距離有限
• 數據傳送速率為24 Mb/s
• 不同設備間協議不兼容
• 需要本地數據記錄,以確保數據不間斷可用
• 存在被攻擊的可能性：（拒絕服務攻擊、竊聽、中間人攻擊、消息修改、資源濫用）

藍牙協議分類

HFP(Hands-free Profile)

HFP(Hands-free Profile)，讓藍牙設備可以控制電話，如接聽、掛斷、拒接、語音撥號等，拒接、語音撥號要視藍牙耳機及電話是否支持。

HSP

HSP 描述了 Bluetooth 耳機如何與計算機或其它 Bluetooth 設備(如手機)通信。連接和配置好后，耳機可以作為遠程設備的音頻輸入和輸出接口，這是最常用的配置，為當前流行支持藍牙耳機與移動電話使用。它依賴於在64千比特編碼的音頻/s的CVSD的或PCM以及AT命令從GSM 07.07的一個子集，包括環的能力最小的控制，接聽來電，掛斷以及音量調整。典型的使用情景是使用無線耳機與手機進行連接。可能會使用HSP的若干設備類型：耳機、手機、PDA、個人電腦、手提電腦

A2DP

A2DP全名是Advanced Audio Distribution Profile(藍牙音頻傳輸模型協定)，A2DP是能夠采用耳機內的芯片來堆棧數據，達到聲音的高清晰度。有A2DP的耳機就是藍牙立體聲耳機。聲音能達到44.1kHz，一般的耳機只能達到8kHz。如果手機支持藍牙，只要裝載A2DP協議，就能使用A2DP耳機了。還有一般所說的技術參數提到藍牙V1.0 V1.1 V1.2 V2.0——這些是指藍牙的技術版本，是指通過藍牙傳輸的速度，他們是否支持A2DP具體要看藍牙產品制造商是否使用這個技術

AVRCP

1. AVRCP(Audio/Video Remote Control Profile)，也就是音頻/視頻遠程控制規范
2. AVRCP設計用於提供控制TV、Hi-Fi設備等的標准接口。此配置文件用於許可單個遠程控制設備(或其它設備)控制所有用戶可以接入的A/V設備。它可以與 A2DP 或 VDP 配合使用
3. AVRCP定義了如何控制流媒體的特征。包括
   1. 暫停
   2. 停止
   3. 啟動重放
   4. 音量控制
   5. 其它類型的遠程控制操作
4. AVRCP 定義了兩個角色
   1. 控制器: 控制器通常為遠程控制設備，控制器將檢測到的用戶操作翻譯為 A/V 控制信號，然后再將其傳輸至遠程 Bluetooth 設備。對於"隨身聽"類型的媒體播放器，控制設備可以是允許跳過音軌的耳機
   2. 目標設備: 目標設備為特征可以更改的設備。在 AVRCP 中，目標設備則是實際的播放器。常規紅外遙控器的可用功能可以在此協議中實現
5. AVRCP 協議規定了AV/C 數字接口命令集的應用范圍，實現了簡化實施和易操作性。此協議為控制消息采用了AV/C 設備模式和命令格式，這些消息可以通過音頻/視頻控制傳輸協議 (AVCTP) 傳輸

OPP

藍牙通信程序部分需采用用於設備之間傳輸數據對象OPP Profile: Object Push Profile由於OPP profile又細分為OPPC (client)端和OPPS(server)端profile，這兩個profile區別在於只有client端可以發起數據傳輸的過程，但是附件設備與手機通信的情景中，既有手機發起數據傳輸請求也有設備側發起傳輸請求的需要，所以要在設備中實現OPPC和OPPS兩個profile

PBAP

電話號碼簿訪問協議(Phonebook Access Profile)