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2400.0～2483.5MHzF=(2402+k)MHz,k在0、1、……78中随机取值法国2446.5～2483.5MHzF=(2454+k)MHz,k在0、1、……22中随机取值日本2471.0～2497.0MHzF=(2473+k)MHz,k在0、1、……22中随机取值西班牙2445.0～2475.0MHzF=(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SCOACL链路控制分组00001NULLNULL0001POLLPOLL0010FHSFHS0011DM1DM1单时隙分组01001未定义NULL0101HV10110HV20111HV31000DV1001NULLAUX13时隙分组10103未定义DM31011DH31100未定义11015时隙分组11105未定义DM51111ACL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、DH5SCO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、HV3ALC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DM110～172/3有108.8108.8108.8DH110～27无有172.8172.8172.8DM320～1212/3有258.1387.254.4DH320～183无有390.4585.686.4DM520～2242/3有286.7477.836.3MH520～339无有433.9723.257.6AUX110～29无无185.6185.6185.6SCO分组：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/kbp