关键词:蓝牙核心技术协议射频基带链路控制链路管理
作者:xubin341719(欢迎转载,请注明作者,请尊重版权,谢谢!)
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下载链接:Bluetooth PROFILE SPECIFICATIONS (基本涵盖所有蓝牙协议)、buletooth core 2.1-4.0 SPECIFICATION(三蓝牙版本的核心协议v2.1\v3.0\v4.0)、蓝牙核心技术与应用 马建仓 版(蓝牙协议相关初学者必读,开发者参考)
蓝牙核心技术概述(一):蓝牙概述
蓝牙核心技术概述(二):蓝牙使用场景
蓝牙核心技术概述(三): 蓝牙协议规范(射频、基带链路控制、链路管理)
蓝牙核心技术概述(四):蓝牙协议规范(HCI、L2CAP、SDP、RFOCMM)
蓝牙核心技术概述(五):蓝牙协议规范(irOBEX、BNEP、AVDTP、AVCTP)
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)。
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: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。
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。
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(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;
(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 |
FEC |
CRC |
对称最大速率/kbps |
非对称速率/kbps |
|
前向 |
后向 |
||||||
DM1 |
1 |
0~17 |
2/3 |
有 |
108.8 |
108.8 |
108.8 |
DH1 |
1 |
0~27 |
无 |
有 |
172.8 |
172.8 |
172.8 |
DM3 |
2 |
0~121 |
2/3 |
有 |
258.1 |
387.2 |
54.4 |
DH3 |
2 |
0~183 |
无 |
有 |
390.4 |
585.6 |
86.4 |
DM5 |
2 |
0~224 |
2/3 |
有 |
286.7 |
477.8 |
36.3 |
MH5 |
2 |
0~339 |
无 |
有 |
433.9 |
723.2 |
57.6 |
AUX1 |
1 |
0~29 |
无 |
无 |
185.6 |
185.6 |
185.6 |
SCO分组:
类型 |
有效载荷头/字节 |
用户有效载荷/字节 |
FEC |
CRC |
有效载荷长度 |
同步速率/kbps |
占用Tsco数目/语言长度 |
HV1 |
无 |
10 |
1/3 |
|
240位 |
64 |
2/1.25ms |
HV2 |
20 |
2/3 |
4/2.5ms |
||||
HV3 |
30 |
无 |
6/3.75ms |
||||
DV |
1D |
10+(0-9)D |
2/3D |
有D |
|
64+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
上图为RX缓存。
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 |
Tpage scan |
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
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
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