蓝牙协议学习整理(二)蓝牙协议规范(射频、基带链路控制、链路管理)

第二章 蓝牙协议规范(射频、基带链路控制、链路管理)

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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2.4GHz ISM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)。
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| 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。
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(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;
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二、基带与链路控制协议

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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:BluetoothDevice Address;
  • LAP:LowerAddress Part 低地址部分;
  • UAP: UpperAddress Part 高地址部分;
  • NAP: Non-significantAddress Part 无效地址部分。

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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(Local Clock),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。

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  1. CLKN:本地时钟:
  2. CLKE:预计时钟,扫描寻呼过程中用到;
  3. 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。

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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(Asynchronous Connectionless)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(Synochronous Connection Oriented)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;

列表内容

(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SCOACL
链路控制分组0000 1NULLNULL
0001 POLLPOLL
0010 FHSFHS
0011 DM1DM1
单时隙分组01001未定义NULL
0101HV1
0110HV2
0111HV3
1000DV
1001NULLAUX1
3时隙分组10103未定义DM3
1011DH3
1100未定义
1101
5时隙分组10105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2/3比例的FEC的中等速率分组;H代表不使用纠错码的高速率分组;1、3、5分别代表分组所占用的时隙数目;
DM1、DM3、DM5、DH1、DH3、DH5

SCO分组形式为:HV(1|2|3)。HV代表高质量语言分组,1、2、3有效载荷所采用的纠错码方法。1为1/3比例FEC,设备2个时隙发送一个单时隙分组;2为2/3比例FEC,设备4个时隙发送一个单时隙分组;3为不使用纠错码,设备6个时隙发送一个单时隙分组

HV1、HV2、HV3

ALC 分组:

类型有效载荷头/字节用户有效载荷/字节FECCRC对称最大速率/kbps非对称速率/kbps
前向后向
DM110~172/3108.8108.8108.8
DH110~27172.8172.8172.8
DM320~1212/3258.1387.254.4
DH320~183390.4585.686.4
DM520~2242/3286.7477.836.3
MH520~339433.9723.257.6
AUX110~29185.6185.6185.6

SCO分组:
240位64
类型有效载荷头/字节用户有效载荷/字节FECCRC有效载荷长度同步速率/kbps占用Tsco数目/语言长度
HV1101/32/1.25ms
HV2202/34/2.5ms
HV3306/3.75ms
DV1D10+(0-9)D2/3D有D64+57.6D
注释:D 只对数据段有用,DV分组包含数据段,也包含语言段。

(3)、有效载荷 分语言有效载荷、数据有效载荷。

6、蓝牙的逻辑信道

  • 链路控制信道:LinkControl LC
  • 链路管理信道:Link Manage LM
  • 用户异步数据信道:User AsynchronizationUA
  • 用户同步数据信道:UserSynchronization US
  • 用户等时数据信道:UserIsochronous UI UI

7、蓝牙的收发规则

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上图为RX缓存。
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上图为TX缓存。
新分组到达时,ACL链路的RX缓存器要流量控制,SCO数据不需要流量控制;

8、蓝牙基带信道和网络控制

(1)、链路控制器状态:
待机、连接
寻呼page、寻呼扫描pagescan、查询inquiry、查询扫描inquiry scan、主设备相应Master Response、从设备相应Slave Response、查询相应inquiry response
(2) 、连接状态
激活模式active、呼吸模式sniff、保持模式hold、休眠模式park。
(3)、待机状态
待机状态是蓝牙设备缺省低功耗状态,此状态下本地时钟以低精度运行。蓝牙从待机转入寻呼扫描状态,对其他寻呼进行响应成为从设备;也可以从待机状态进入查询扫描状态,完成一个完整的寻呼,成为主设备

9、接入过程

注释:
IAC Inquiry AccessCode 查询接入码;
GIAC:通用查询接入码 DIAC:专用查询接入码;
DAC:DeviceAccess Code 设备接入码;
LAP:
建立连接,必须使用查询、寻呼;查询过程使用IAC,发现覆盖区域内的设备、设备的地址及其时钟;连接过程使用DAC,建立连接的设备处理寻呼过程,成为主设备。

(1)、查询过程
蓝牙设备通过查询来发现通信范围内的其他蓝牙设备。查询信息分为GIAC、DIAC两种。查询发起设备收集所有相应设备的地址、时钟信息。
一设备进入查询状态去发现其他设备,查询状态下连续不断的在不同频点发送查询消息。查询的跳频序列有GIAC的LAP导出。
一设备想被其他设备发现,就要周期性进入 查询扫描状态,以便相应查询消息。如:我们选择设备多长时间可见,其实就是 进入查询扫描状态。
A、查询扫描
查询扫描状态下,接收设备扫描接入码的时间长度,足以完成对16个频率的扫描。扫描区间长度Twindow inquiry scan。扫描在同一个频率上进行,查询过程用32跳专用查询跳频序列,此序列有通用查询的地址决定,相位有本地时钟决定,每隔1.28S变化一次。
B、查询
与寻呼类似,TX用查询跳频序列、RX用查询相应跳频序列。
C、查询相应
从设备响应查询操作。每个设备都有自己的时钟,使用查询序列相位相同的几率比较小。为了避免多个设备在同一查询跳频信道同时激活,从设备查询响应规定:从设备收到查询消息,产生0-1023只觉得额一个随机数,锁定当时相位输入值进行跳频选择,从设备此后的RAND时隙中返回到连接或者待机状态。

(2)、寻呼扫描
DAC:DeviceAccess Code 设备接入码
寻呼扫描状态下的设备扫描窗口Twindowpage scan内监听自己的DAC。监听只在一个跳频点进行。Twindow page scan足够覆盖16个寻呼扫描频点。
寻呼扫描状态,扫描在同一个频率上进行,持续1.28S,在选择另一个不同频率。

SR模式Tpagescan寻呼次数Npage
R0连续>=1
R1<=1.28S>=128
R2<=2.56S>=256
预留

(3)、寻呼
主设备使用寻呼发起一个主—从设备连接,通过在不同的跳频点上重复发送从设备DAC来扑捉从设备,从设备在寻呼扫描状态被唤醒,接收寻呼。
(4)、寻呼相应过程

三、链路管理器

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如上图红色部分,负责完成设备:功率管理、链路质量管理、链路控制管理、数据分组管理、链路安全管理。

1、链路管理协议数据单元

蓝牙链路管理器接收到高层的控制信息后,不是向自身的基带部分分发控制信息,就是与另一台设备的链路管理器进行协商管理。这些控制信息封装在链路管理协议数据单元LMP_PDU中,由ACL分组的有效载荷携带。

2、链路管理器协议规范

(1)、设备功率管理
RSSI保持模式、呼吸模式、休眠模式。
(2)、链路质量管理 QoSQuality of Service
A、ACL链路。
B、SCO链路。
(3)、链路控制管理
设备寻呼模式、设备角色转换、时钟计时设置、信息交换:版本信息、支持特性、设备名称;建立连接、链路释放。
(4)、数据分组管理

传送门:
(一)蓝牙的概述
(二)蓝牙协议规范(射频、基带链路控制、链路管理)
(三)蓝牙协议规范(HCI、L2CAP、SDP、RFOCMM)
(四)蓝牙协议规范(irOBEX、BNEP、AVDTP、AVCTP)

引用自xubin的博客

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