蓝牙协议概述.docx

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蓝牙协议概述

蓝牙协议的学习

第一章蓝牙的概述

一、蓝牙版本信息 

蓝牙共有六个版本V1.1/1.2/2.0/2.1/3.0/4.0 版本信息：

1、V1.1版本

传输率约在748~810kb/s，因是早期设计，容易受到同频率之产品所干扰下影响通讯质量。

2、V1.2版本

同样是只有748~810kb/s的传输率，但在加上了（改善Software）抗干扰跳频功能。

3、V2.0+EDR版本

是1.2的改良提升版，传输率约在1.8M/s~2.1M/s，开始支持双工模式——即一面作语音通讯，同时亦可以传输档案/高质素图片，2.0版本当然也支持Stereo运作。

应用最为广泛的是Bluetooth2.0+EDR标准，该标准在2004年已经推出，支持Bluetooth2.0+EDR标准的产品也于2006年大量出现。

虽然Bluetooth2.0+EDR标准在技术上作了大量的改进，但从1.X标准延续下来的配置流程复杂和设备功耗较大的问题依然存在。

4、V2.1版本

更佳的省电效果：

蓝牙2.1版加入了SniffSubrating的功能，透过设定在2个装置之间互相确认讯号的发送间隔来达到节省功耗的目的。

5、V3.0+HS版本

2009年4月21日，蓝牙技术联盟（BluetoothSIG）正式颁布了新一代标准规范"BluetoothCoreSpecificationVersion3.0HighSpeed"（蓝牙核心规范3.0版），蓝牙3.0的核心是"GenericAlternateMAC/PHY"（AMP），这是一种全新的交替射频技术，允许蓝牙协议栈针对任一任务动态地选择正确射频。

最初被期望用于新规范的技术包括802.11以及UMB，但是新规范中取消了UMB的应用。

6、V4.0版本

蓝牙4.0包括三个子规范，即传统蓝牙技术、高速蓝牙和新的蓝牙低功耗技术。

蓝牙4.0的改进之处主要体现在三个方面，电池续航时间、节能和设备种类上。

拥有低成本，跨厂商互操作性，3毫秒低延迟、100米以上超长距离、AES-128加密等诸多特色此外，蓝牙4.0的有效传输距离也有所提升。

3.0版本的蓝牙的有效传输距离为10米（约32英尺），而蓝牙4.0的有效传输距离最高可达到100米（约328英尺）。

7、典型蓝牙与BLE蓝牙对比

二、蓝牙的技术特点

简单地说，蓝牙是一种短程宽带无线电技术，是实现语音和数据无线传输的全球开放性标准。

它使用跳频扩谱（FHSS）、时分多址（TDMA）、码分多址（CDMA）等先进技术，在小范围内建立多种通信与信息系统之间的信息传输。

1、Bluetooth的主要技术特点：

（1）、工作频段：

2.4GHz的工科医（ISM）频段，无需申请许可证。

大多数国家使用79个频点，载频为（2402+k）MHz（k=0，1,2…78），载频间隔1MHz。

采用TDD时分双工方式。

（2）、传输速率：

1Mb/s（V2.0以上版本）

（3）、调试方式：

BT=0.5的GFSK调制，调制指数为0.28-0.35。

（4）、采用跳频技术：

跳频速率为1600跳/秒，在建链时（包括寻呼和查询）提高为3200跳/秒。

蓝牙通过快跳频和短分组技术减少同频干扰，保证传输的可靠性。

（5）、语音调制方式：

连续可变斜率增量调制（CVSD，ContinuousVariableSlopeDeltaModulation），抗衰落性强，即使误码率达到4%，话音质量也可接受。

（6）、支持电路交换和分组交换业务：

蓝牙支持实时的同步定向联接（SCO链路）和非实时的异步不定向联接（ACL链路），前者主要传送语音等实时性强的信息，后者以数据包为主。

语音和数据可以单独或同时传输。

蓝牙支持一个异步数据通道，或三个并发的同步话音通道，或同时传送异步数据和同步话音的通道。

每个话音通道支持64kbps的同步话音；异步通道支持723.2/57.6kbps的非对称双工通信或433.9kbps的对称全双工通信。

（7）、支持点对点及点对多点通信：

蓝牙设备按特定方式可组成两种网络：

微微网（Piconet）和分布式网络（Scatternet），其中微微网的建立由两台设备的连接开始，最多可由八台设备组成。

在一个微微网中，只有一台为主设备（Master），其它均为从设备（Slave），不同的主从设备对可以采用不同的链接方式，在一次通信中，链接方式也可以任意改变。

几个相互独立的微微网以特定方式链接在一起便构成了分布式网络。

所有的蓝牙设备都是对等的，所以在蓝牙中没有基站的概念。

（8）、工作距离：

蓝牙设备分为三个功率等级，分别是：

100mW（20dBm）、2.5mW（4dBm）和1mW（0dBm），相应的有效工作范围为：

100米、10米和1米。

三、Bluetooth的系统构成

1、无线射频单元（Radio）：

负责数据和语音的发送和接收，特点是短距离、低功耗。

蓝牙天线一般体积小、重量轻，属于微带天线。

2、基带或链路控制单元（LinkController）：

进行射频信号与数字或语音信号的相互转化，实现基带协议和其它的底层连接规程。

3、链路管理单元（LinkManager）：

负责管理蓝牙设备之间的通信，实现链路的建立、验证、链路配置等操作。

4、蓝牙软件协议实现：

如上图紫色部分，这个后面我们做详细说明。

四、蓝牙协议规范

传输协议、中介协议、应用协议；

1、传输协议

负责蓝牙设备间，互相确认对方的位置，以及建立和管理蓝牙设备间的物理链路；

底层传输协议：

蓝牙射频（Radio）部分、基带链路管理控制器（Baseband&LinkController）、链路管理协议（LinkManagerProtocolLMP）。

负责语言、数据无线传输的物理实现以及蓝牙设备间的联网组网。

高层传输协议：

     逻辑链路控制与适配器（LogicalLinkControlandAdaptationProtocol）L2CAP、主机控制接口（HostControlInterface，HCI）。

为高层应用屏蔽了跳频序列选择等底层传输操作，为高层程序提供有效、有利于实现数据分组格式。

2、中介协议

  为高层应用协议或者程序，在蓝牙逻辑链路上工作提供必要的支持，为应用提供不同标准接口。

   串口仿真协议：

RFCOMM、服务发现协议：

SDP、互操作协议IrDA、网络访问协议：

PPP、IP、TCP、UDP、电话控制协议：

TCS、AT指令集。

3、应用协议

      蓝牙协议栈之上的应用软件和所涉及到的协议，如：

拨号上网、语言功能的应用程序。

蓝牙的应用框架如下：

（1）、通用应用类框架：

查询、建立连接服务等；

（2）、蓝牙电话应用类框架：

电话控制、语言；

（3）、蓝牙连网应用类框架：

网络应用相关；

（4）、对象交互服务类框架：

IrDA、OBEX；

（5）、蓝牙音视频控制类框架。

五、硬件接口

一般蓝牙芯片通过UART、USB、SDIO、I2S、PcCard和主控芯片通信。

如下图所示，通过UART和主控芯片通信。

第二章蓝牙协议规范（射频、基带链路控制、链路管理）

蓝牙协议是蓝牙设备间交换信息所应该遵守的规则。

与开放系统互联（OSI）模型一样，蓝牙技术的协议体系也采用了分层结构，从底层到高层形成了蓝牙协议栈，各层协议定义了所完成的功能和使用数据分组格式，以保证蓝牙产品间的互操作性。

一、射频协议

射频位置如上图红色部分。

1、工作频率

蓝牙工作在2.4GHzISM频段上，蓝牙采用跳频扩谱技术主动的避免工作频段受干扰（微波炉的工作频率也是2.4GHz）。

地理位置

ISM频段范围

射频信道频率

中国、美国、欧洲

2400.0～2483.5MHz

F=（2402+k）MHz,k在0、1、……78中随机取值

法国

2446.5～2483.5MHz

F=（2454+k）MHz,k在0、1、……22中随机取值

日本

2471.0～2497.0MHz

F=（2473+k）MHz,k在0、1、……22中随机取值

西班牙

2445.0～2475.0MHz

F=（2449+k）MHz,k在0、1、……22中随机取值

我国的蓝牙频率在2.402GHz～2.483GHz,蓝牙每个频道的宽度为1MHz，为了减少带外辐射的干扰，保留上、下保护为3.5MHz和2MHz，79个跳频点中至少75个伪随机码跳动，30S内任何一个频点使用时长不能超过0.4S。

2、跳频技术、发射功率、时隙

（1）、发射功率：

蓝牙发射功率分三级：

一级功率100mW（20dBm）；二级功率2.5mW（4dBm）；三级功率1mW（0dBm）；

（2）、物理信道：

蓝牙物理信道有伪随机序列控制的79个跳频点构成，不同跳频序列代表不同的信道。

（3）、时隙：

蓝牙跳频速率为1600次/s,每个时间为625uS（1S/1600）称为一个时隙；

二、基带与链路控制协议

蓝牙发送数据时，基带部分将来自高层的数据进行信道编码，向下发给射频进行发送；接收数据时，将解调恢复空中数据并上传给基带，基带进行信道编码传送给上层。

作用：

跳频选择、蓝牙编址、链路类型、信道编码、收发规则、信道控制、音频规范、安全设置。

1、蓝牙分组编码为小端模式；

2、蓝牙地址

BD_ADDR：

BluetoothDeviceAddress；

LAP:

LowerAddressPart低地址部分；

UAP:

UpperAddressPart高地址部分；

NAP:

Non-significantAddressPart无效地址部分。

3、蓝牙时钟

每个蓝牙设备都有一个独立运行的内部系统时钟，称为本地时钟（LocalClock），决定定时器的收发跳频。

为了与其他设备同步，本地时钟要加一个偏移量（offset），提供给其他设备同步。

蓝牙基带四个关键周期：

312.5uS、625uS、1.25mS、1.28S。

CLKN：

本地时钟：

CLKE:

预计时钟，扫描寻呼过程中用到；

CLK：

设备实际运行的时钟频率。

CLKE、CLK由CLKN加上一个偏移量得到的。

4、蓝牙物理链路：

通信设备间物理层的数据连接通道就是物理链路。

ACL（AsynchronousConnectionless）异步无连接链路；对时间要求不敏感的数据通信，如文件数据、控制信令等。

SCO（SynochronousConnectionOriented）同步面向连接链路；对时间比较敏感的通信，如：

语音；最多只支持3条SCO链路，不支持重传。

ACL用于数据传输；

5、蓝牙基带分组：

基带分组至少包括：

接入码、分组头、有效载荷；

（1）、接入码用于同步、直流、载频泄漏偏置补偿标识；

（2）、分组头包含链路信息，确保纠正较多的错误。

分组类型如下：

分组类别

Type（b3b2b1b0）

时隙

SCO

ACL

链路控制分组

0000

1

NULL

NULL

0001

POLL

POLL

0010

FHS

FHS

0011

DM1

DM1

单时隙分组

0100

1

未定义

NULL

0101

HV1

0110

HV2

0111

HV3

1000

DV

1001

NULL

AUX1

3时隙分组

1010

3

未定义

DM3

1011

DH3

1100

未定义

1101

5时隙分组

1110

5

未定义

DM5

1111

ACL分组形式为：

D（M|H）（1|3|5）,D代表数据分组，M代表用