蓝牙技术简介

蓝牙技术基础

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概述

• 蓝牙采用分散式网络结构以及快跳频和短包技术，支持点对点及点对多通信。
• 蓝牙技术的数据传输速率为1Mbit/s，采用时分双工传输方案实现全双工传输。
• 蓝牙无线技术是免费的，但是必须向手机提供商注册使用GSM或CDMA。
• 蓝牙技术是一项即时技术，可以连接至使用同一配置文件的另一蓝牙设备。

低功耗蓝牙

• 低功耗蓝牙（BLE）是对传统蓝牙（BR/EDR）技术的补充，它虽与传统蓝牙共享射频，但是却是一个完全不一样的技术。
• 低功耗蓝牙不具备和传统蓝牙的兼容性，是专为小数据率、离散传输的应用而设计的。

• 低功耗蓝牙协议总体上分为3层，从下到上分别是控制器（Controller）、主机（Host）和应用端（APPs）。控制器用于处理射频数据解析、接收和发送数据；主机用于控制不同设备之间进行数据交换；应用端用于实现具体应用。

  • 控制器：用于实现射频相关的模拟和数字部分，完成最基本的数据发送和接收，控制器的对外接口是天线，对内接口是主机控制器接口（HCI）。控制器包括物理层（PHY）、链路层（LL）、直接测试模式（DTM）以及主机控制器接口。
    
    • 物理层：GFSK信号调制，2402MHz~2480MHz，40个通道，每两个通道间隔2MHz（经典蓝牙协议是1MHz），数据传输速率1Mbit/s。
    • 链路层：基于物理层，实现数据通道分发、状态切换、数据包校验、加密等功能；链路层分为2种通道：广播通道和数据通道。广播通道有3个：37ch（2402MHz）、38ch（2426MHz）、39ch（2480MHz）。每次广播都会往这3个通道同时发送（并不会在这个3个通道之间跳频）。目的是为了防止某个通道被其他设备阻塞，以至于设备无法配对或广播数据。还避开了Wi-Fi的1ch、6ch、11ch，避免被Wi-Fi影响。当低功耗蓝牙匹配后，链路层由广播通道切换到数据通道，数据通道有37个，数据传输的时候会在这37个通道间切换，切换规则在设备间匹配的时候约定。
    • 直接测试模式：为射频物理层测试接口，用于射频数据分析。
    • 主机控制器接口：作为一种接口存在于主机和控制器中，控制器通过控制器接口发送数据和事件给主机，主机通过控制器接口发送命令和数据给控制器。

• 低功耗蓝牙的分类：

  • 单模蓝牙：在现实应用中，手表、运动传感器等小型设备通常是基于低功耗单模蓝牙的，可以实现极低的功耗效果。
  • 双模蓝牙：支持传统蓝牙和低功耗蓝牙。可以接受通过低功耗蓝牙或者传统蓝牙设备发送过来的数据。
• 集成方式：模块（嵌入式）和芯片（集成）。
• 低功耗蓝牙的特点：优化协议来实现极低的功耗效果，即在不必要射频的时候，彻底将空中射频关断。
  
  • 缩短无线开启时间。
  • 快速建立连接。
  • 降低收发峰值功耗（具体由芯片决定）。

蓝牙规范

• 规范的目的是要确保蓝牙设备间的互通性，但是蓝牙产品无需实现所有的蓝牙规范。

常用规范

• 1.蓝牙立体声音讯传输协议A2DP

功能：播放立体声

• 2.基本图像规范

功能：在装置之间传送图像，分为：

（1）Image Push（2）Image Pull（3）Advanced Image Printing（4）Automatic Archive（5）Remote Camera（6）Remote Display

• 3.基本打印规范

功能：可以将文件、电子邮件传至打印机打印，包含如下分类：

（1）无线电话规范：设置了蓝牙无线电话之间沟通的规范（2）内通信规范：是另类的TCS（Telephone Control Protocol Specification）基层规范，两个蓝牙通信设备间沟通的规范（3）拨号网络规范（4）传真规范，能传输传真的资料（5）人机界面规范，可以支持鼠标和键盘功能（6）头戴式通话器规范，能够将声音传送到蓝牙耳机设备（7）序列埠规范，用来取代有线的RS-232 Cable（8）SIM卡存取规范，用于存取手机内的SIM卡（9）同步规范，简历在序列埠规范、泛用存取规范与generic access profile之上（10）档案传输规范，蓝牙可以利用OBEX通信协定来传送档案（11）泛用存取规范，用来建立连线（12）泛用物件交换规范，使用OBEX进行物件交换（13）物件交换规范，蓝牙利用OBEX通信协定在两个设备间交换资料（14）个人局域网络规范，可以支持蓝牙网络第三层协定（15）电话簿存取规范，可以在装置之间互换电话簿（16）影像分享规范，可以使用H.263编码算法来分享影像信息

蓝牙协议体系机构

• 底层硬件模块：

  • 链路管理层（LMP）：负责连接的建立和拆除以及链路的安全和控制
  • 基带层（BBP）：负责跳频和蓝牙数据及信息帧的传输
  • 蓝牙无线电信道

低层模块是蓝牙技术的核心，蓝牙工作在2.4GHZ的ISM频段。

蓝牙支持电路交换和分组交换两种技术，分别定义了两种链路类型，即面向连接的同步链路（SCO）和面向无连接的异步链路（ACL）。

蓝牙规定了3种节能状态：停等（Park）状态、保持（Hold）状态和呼吸（Sniff）状态。

蓝牙采用3种纠错方案：1/3前向纠错（FEC）、2/3前向纠错和自动重发（ARQ）。
前向纠错：目的是减少重发的可能性，但同时也增加了额外开销。通常在信道的噪声干扰比较大时，蓝牙系统会使用前向纠错方案，以保证通信质量：对于SCO链路使用1/3前向纠错，对于ACL链路，使用2/3前向纠错。在无编号的自动请求重发方案中，一个时隙传送的数据必须在下一个时隙得到收到的确认。

蓝牙系统的安全性问题：在链路层中，蓝牙系统提供了认证、加密和密匙管理等功能。

• 中间协议层

  • 逻辑链路控制与适配协议（L2CAP）：完成数据拆装、服务质量控制、协议复用和组提取等功能，是其他上层协议实现的基础，也是蓝牙协议栈的核心部分
  • 服务发现协议（SDP）：为上层应用程序提供一种机制来发现网络中可用的服务及其特性的方法。
  • 串口仿真协议（RFCOMM）：射频通信协议，可以仿真串行电缆接口协议，符合ETSI0710串口仿真协议，可以在无线环境下实现对高层协议，如PPP、TCP/IP、WAP等的支持，另外还可以支持AT命令集，从而可以实现移动电话机和传真机及调制解调器之间的无线连接。
  • 电话控制协议规范（TCS）：基于ITU-T建议Q.931的采用面向比特的协议，定义了用于蓝牙设备间建立语音和数据呼叫的呼叫控制信令以及用于处理蓝牙TCS设备的移动性管理过程。

• 高端应用层：对应于各种应用模型的剖面，是剖面的一部分，目前定义了13种剖面

总结：底层硬件模块为上层软件模块提供了不同的访问入口，但是两个模块接口之间的消息和数据传递必须通过蓝牙主机控制器接口的解释才能进行，也就是要通过中间协议层。

低功耗蓝牙协议

低功耗蓝牙不再支持传统蓝牙的协议，所有的协议或服务都是基于GATT的。

低功耗蓝牙中区分协议和服务，服务描述了特点（即它们的UUID），服务描述自身有什么特点和形式，并且描述清楚如何应用这些特点以及需要什么安全机制。而应用协议定义了其使用的服务，说明是传感器还是接收端，定义GATT的角色（Service/Client）和GAP的角色（Peripheral/Central）

现有的基于GATT的协议/服务

• ANP Alert Notification Profile
• ANS Alert Notification Profile
• BAS Battery Service
• BLP Blood Pressure Profile
• BLS Blood Pressure Service
• CPP Cycling Power Profile
• CPS Cycling Power Service
• CSCP Cycling Speed and Cadence Profile
• CSCS Cycling Speed and Cadence Service
• CTS Current Time Service
• DIS Device Information Service
• FMP Find Me Profile
• GLP Glucose Profile
• IDS HID service
• OGP HID over GATT Profile
• HTP Health Thermometer Profile
• TS Health Thermometer Service
• HRP Heart Rate Profile
• HRS Heart Rate Profile
• IAS Immediate Alert Service
• LLS Link Loss Service
• LNP Location and Navigation Profile
• LNS Location and Navigation Service
• NDCS Next DST Change Service
• PASP Phone Alert Status Profile
• PASS Phone Alert Status Service
• PXP Proximity Profile
• RSCP Running Speed and Cadence Profile
• RSCS Running Speed and Cadence Service
• RTUS Reference Time Update Service
• ScPP Scan Parameters Profile
• ScPS Scan Parameters Service
• TIP TIme Profile
• TPS Tx Power Service

低功耗蓝牙协议栈

蓝牙协议栈就是SIG定义的一组协议的规范，目标是允许遵循规范的蓝牙应用能够进行相互间的操作。

常用蓝牙核心协议类型

• 基带协议

基带和链路控制层确保微微网内各蓝牙设备单元之间由射频构成的物理连接。蓝牙的射频系统是一个跳频系统，其任一分组在指定时隙、指定频率上发送。

• 连接管理协议

连接管理协议（LMP）负责各蓝牙设备间连接的建立。

• 逻辑链路控制和适配协议

逻辑链路控制和适配协议（L2CAP）是基带的上层协议，可以认为它与LMP并行工作，它们的区别在于，当业务数据不经过LMP时，L2CAP为上层提供服务。

• 服务发现协议

服务发现协议（SDP）在蓝牙技术框架中起着至关紧要的作用，它是所有用户模式的基础。使用SDP可以查询到设备信息和服务类型，从而在蓝牙设备间建立相应的连接。

• 电缆替代协议

电缆替代协议（RFCOMM）是基于ETSI-07.10规范的串行线仿真协议。它在蓝牙基带协议上仿真RS-232控制和数据信号，为使用串行线传送机制的上层协议（如OBEX）提供服务。

• 电话控制协议

（1）二元电话控制协议（TCS-Binary或TCSBIN）。它是面向比特的协议，定义了蓝牙设备间建立语音和数据呼叫的控制信令，定义了处理蓝牙TCS设备群的移动管理进程。

（2）AT命令集电话控制协议。SIG定义了控制多用户模式下移动电话和调制解调器的AT命令集，该AT命令集基于ITU TV.250建议和GSM07.07，它还可以用于传真业务。

• 选用协议

（1）点对点协议（PPP）。在蓝牙技术中，PPP位于RFCOMM上层，完成点对点的连接。

（2）TCP/UDP/IP。该协议是由互联网工程任务组制定，广泛应用于互联网通信的协议。在蓝牙设备中，使用这些协议是为了与互联网相连接的设备进行通信。

（3）对象交换协议（OBEX）。是由红外数据协会（IrDA）制定的会话层协议，它采用简单的和自发的方式交换目标。

（4）无线应用协议（WAP）。该协议是由无线应用协议论坛制定的，它融合了各种广域无线网络技术，其目的是将互联网的内容和电话传送的业务传送到数字蜂窝电话和其他无线终端上。