蓝牙相关知识

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背景

蓝牙协议：v5.2
蓝牙官网：https://www.bluetooth.com/specifications/specs/

前段时间，v5.3版本已经发布

主要应用领域

  • 数据传输，主要物联网
  • 音频传输，手机、PC; LE audio(5.2新增),解决了左右耳等时同步传输，LC3编解码器
  • 位置服务，LE Beacon，AoA和AoD(5.1新增)等，可精确到亚米级
  • 设备网络，主要是BLE Mesh、IPv6 Over BLE(IPSP)

几个重要版本

  • v2.0 + EDR Enhanced Data Rate，2 Mb/s and 3 Mb/s modes
  • 3.0 + HS AMP
  • 4.0 BLE
  • 5.0 2 Msym/s PHY for LE
  • 5.2 LE Isochronous Channels

更多具体细节可参见《Bluetooth Core Specification v5.2》的《CORE SPECIFICATION CHANGE HISTORY》章节
从蓝牙协议更新来看，BR/EDR 将逐渐退出历史舞台，LE将成为重点

无线特性

  • 2.4 GHz ISM频段，功率有限制
  • 调制方式：GFSK，pi/4-DQPSK和8DPSK
  • 硬件指标：频偏很重要， 天线阻抗匹配(影响有效效率)等

信道

  • ER/EDR
    79个信道，每个信道1M， 分为3类： 搜索，连接，通信

    Regulatory Range RF Channels
    2.400-2.4835 GHz f=2402+k MHz, k=0,…,78

  • BLE
    40个信道，每个信道2M

    Regulatory Range RF Channels
    2.400-2.4835 GHz f=2402+k*2 MHz, k=0, … ,39

    其中，37~39信道为专门的广播信道，其余信道为数据传输信道，Bluetooth 5 中又引入了扩展广播信道，可以临时使用37个数据信道中的某些信道用作广播或多播通信：

跳频

  • 避免环境中的干扰
  • 经典蓝牙（BR/EDR）与BLE的跳频算法不一样
  • 经典蓝牙（BR/EDR）由主设备（发起连接一方）维护跳频表
  • BLE建立点对点的数据连接后才会进行跳频
  • 主要由蓝牙模块firmware固件代码维护

蓝牙框架

avatar

控制器：

  • BR/EDR: 俗称经典蓝牙
  • BLE(Bluetooth Low Energy): 低功耗蓝牙
  • AMP(Alternate MAC/PHYs)，L2CAP连接建立后可转移到此控制器，双方都需支持AMP；使用IEEE 802.11协议。（待删除，v5.3已删除）

双/单模蓝牙： BR/EDR+BLE，BR/EDR或BLE
3套基本上独立的技术，只是共用了部分HCI接口，数据链路和无线基带

链路：

  • SCO(Synchronous Connection-Ori-ented [logical transport])、ISO（LE Audio新增）

  • ACL(Asynchronous Connection-ori-ented[logical transport])

  • C/E:Command/Event

    SCO、ISO主要用于对时间要求很高的数据传输, 如同步话音传输；ACL主要用于分组数据传输

HCI(Host Controller interface)：

主机控制器接口，主机部分和控制器（链路层+物理层，一般主要指蓝牙模块）通讯的接口；
常用的主要有USB、SDIO、UART等硬件接口；
走HCI协议，具体可参见协议文档；

Host部分

  • L2CAP: Logical Link Control and Adaptation Layer Protocol, 类似TCP/IP
  • SMP: Security Manager Protocol, STK, LTK
  • SDP: Service Discovery Protocol
  • GAP: 见下一节profie
  • ATT: 见下一节profie
  • GATT: 见下一节profie

Profile

蓝牙应用之间的互操作是通过profile来实现。profile定义了从底层到上层每一层所需的功能和特性，定义了层之间的垂直交互以及设备之间特定层的对等交互。应用的行为以及数据结构也由profile定义。

基本profile

  • GAP: Generic Access Profile，所有蓝牙设备都实现的最基本profile，包括role属性, discovery,
    authentication等
  • ATT: Attribute Protocol, 主要为设备间读写一些小数据而定义的协议
  • GATT: Generic Attribute Profile ，基于ATT，通用的Attribute操作框架，基于GATT的profile有很多，比如：HRP( Heart Rate Profile)、BLP(Blood Pressure Profile)、WSP(Weight Scale Profile)等等
    GATT-Based Profile hierarchy:

常用profile

  • A2DP: Advanced Audio Distribution Profile 高级音频传送，可传输立体声
  • HSP: Headset Profile 耳机功能，底层走的SCO链路，单声道，低采样率
  • HFP: Hands-Free Profile 免提功能，HFP在HSP的基础上增加了某些扩展功能，重拨，来电拒听等
  • AVRCP: A/V Remote Control Profile ，常与 A2DP 配合使用，A/V的暂停、停止、启动重放、音量控制等
  • HID: Human Interface Device Profile
  • FTP: File Transfer Profile
  • 等等

参考