蓝牙基础知识详解：从原理到架构
蓝牙基础知识详解：从原理到架构
蓝牙技术作为一种广泛应用于短距离无线通信的技术，其基础知识对于理解现代无线设备的工作原理至关重要。本文将详细介绍蓝牙的定义、工作原理、协议栈结构以及不同应用场景下的蓝牙架构方案，帮助读者全面了解这一关键技术。
蓝牙技术概述
蓝牙是一种利用低功率无线电，支持设备短距离通信的无线电技术，它工作在全球通用的2.4GHz ISM（Industrial(工业)，Scientific(科学), Medical(医学)）频段，使用IEEE802.11协议。为了对抗工作在2.4GHz频段的WIFI、ZigBee等设备干扰，蓝牙设备采用调频机制。
蓝牙类型
经典蓝牙（BR/EDR）：分为基本速率/增强数据速率，使用79个信道，在2.4GHz的(ISM)频段。主要用于实现无线音频流传输，已成为无线扬声器、耳机和车载娱乐系统背后的标准无线电协议。同时支持数据传输程序，包括移动打印。
低功耗蓝牙（BLE）：为低功耗操作而设计，工作在2.4GHz无授权ISM频段，共40个信道传输数据。BLE支持多种通信拓扑，包括点对点、广播和Mesh网络，使蓝牙能够支持创建可靠的、大规模的网络。此外，BLE也被广泛用于设备定位技术，满足高精度室内定位服务的需求。
蓝牙协议栈
蓝牙协议栈分为两种主要协议：基本速率（BR）和低功耗（LE），二者不互通，一般需要厂商支持二者协议，统称双模。
BR协议
- BR（Basic Rate）：是经典蓝牙，包括可选的EDR技术、交替射频的MAC层和PHY层扩展（简称AMP）。其中BR与EDR可以同时存在，但是BR/ERP和AMP仅可二选一。
LE协议
- LE（Low Energy）：虽然使用2.4GHz无线电频率技术，但与经典蓝牙BR的技术相差很大。BLE主要使用在IOT产品领域。
BLE的协议层架构
物理层（Physical layer， PHY）：规定工作频段，40个RF Channel，其中3个广播信道，37个数据信道，GFSK调制方式，接收机灵敏，发射功率等。通信双工模式，TDD模式。物理层性能对硬件设备起决定性作用，特别是功耗，误码率，差分误差向量等。
链路层（link layer， LL）：是BLE协议栈的核心。工作包括自适应跳频地图，频点的选择。数据发送slot，以及接收数据确认。但并不负责数据的解析工作。解析工作由上层负责。
接口层（Host Controller Interface， HCI）：用于规范Host与Hostcontroller之间的通信协议和通信命令。HCI层屏蔽了控制层，为协议层的上层提供了进入基带的统一方式。
通用访问协议（Generic access profile，GAP）：负责处理设备访问模式，包括被发现、建立连接、终止连接、初始化安全管理和设备配置。GAP层可以扮演四种角色：广播者、观察者、外设和中央设备。
逻辑链路控制和适配协议（Logical Link Control and Adaptation Protocol， L2CAP）：定义两个基本概念L2CAP 信道和L2CAP 信令，支持数据的分割和重组。
安全管理层（Security Manager，SM）：定义BLE通信两端设备的配对方法和密钥分发的工作模式，提供了加密、认证等安全保障。
属性协议层（Attribute protocol，ATT）：在ATT层协议框架内，拥有一组属性的设备称为服务端（Server），读写该属性值的设备称为客户端（Client）。
通用属性配置文件层（Generic Attribute profile， GATT）：用来规范attribute中的数据内容，并运用group（分组）的概念对attribute进行分类管理。
蓝牙架构方案
蓝牙架构主要分为三种方案：
SOC蓝牙单芯片方案：半导体厂商半开源协议栈，把开发的蓝牙协议栈直接烧写到蓝牙芯片中（如CSRBC4/5, CSR8675 ,TI CC2540, NRF51xxx, NRF52xxx, ESP32xx等）。此类芯片一般作为MCU使用，用于消费类电子，集成度高，可直接调整参数使用。
SOC蓝牙+MCU方案：在集成好蓝牙芯片的基础上，通过特定的接口（UART居多），发送自定义的command来实现功能。比如市面上的蓝牙串口模块。
蓝牙host+controller分开方案：这种方案应用在蓝牙多场景，多蓝牙协议设计中，比如蓝牙电话（HFP）、蓝牙音频（A2DP）、蓝牙音乐控制（AVRCP）、蓝牙电话本（PBAP）、蓝牙短信（MAP）等。