蓝牙基础知识详解：从原理到应用
蓝牙基础知识详解：从原理到应用
蓝牙技术是一种广泛应用于短距离无线通信的无线电技术，它工作在全球通用的2.4GHz ISM频段，支持设备间的点对点通信。本文将详细介绍蓝牙的基本概念、协议架构以及应用场景，帮助读者全面了解这一重要的无线通信技术。
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(BR/EDR)， 79个信道，在2.4GHz的(ISM)频段。
- 支持点对点设备通信，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。
- 支持多种通信拓扑，包括点对点、广播和Mesh网络。
- 广泛应用于物联网（IOT）产品领域，支持设备定位技术，满足高精度室内定位服务的需求。
蓝牙协议
蓝牙协议主要分为两种，即基本速率（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（Basic Rate）
- BR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）。
- BR与EDR可以同时存在，但是BR/ERP和AMP仅可二选一。
- LE（Low Energy）
- 虽然BLE与经典蓝牙BR使用相同的2.4GHz无线电频率技术，但技术相差很大。
- BLE主要应用于物联网（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。
- 通信双工模式采用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。
- BLE工作在ISM频段的2400-24835MHz，占用40个射频信道，信道间隔2MHz，中心频率为2402+k*2 MHz。k=0,1,…,39。
- 包括3个广播信道（37，38，39）和37个数据信道（如下图）。
链路层（link layer， LL）
链路层是BLE协议栈的核心，负责自适应跳频地图、频点选择、数据发送slot和接收数据确认。
不负责数据解析工作，解析工作由上层负责。
接口层（Host Controller Interface， HCI）
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。
HCI通过包的方式来传送数据、命令和事件，所有在主机和主机控制器之间的通信都以包的形式进行。
包括数据包（双向）、命令包（Host到Host controller）和事件包（Host controller到Host）。
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：
Broadcaster（广播者）：不可以连接，一直发送广播
Observer（观察者）：可以扫描广播，但是不能发起建立连接的设备
Peripheral（外设）：可以被连接，在单个链路层连接中作为Server
Central（中央设备）：可以扫描广播并发起连接，在单个或多个链路层中作为Client
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，L2CAP信道是一个双向数据通道，通向对端设备上的某一特定的协议或规范。
支持数据的分割和重组，使得较大的报文可以在底层无线电中进行传输。
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。
使用AES加密算法，通过复杂的认证过程，保证密钥能够被安全传递到通信链路两端的设备中。
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）。
Server和Client通过ATT PDU进行交互。
通用属性配置文件层（Generic Attribute profile， GATT）
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。
BLE 连接都是建立在 GATT (Generic Attribute Profile)协议之上。
蓝牙架构
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。
- 例如市面上常见的蓝牙串口模块。
- 蓝牙host+controller分开方案
- 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。