藍芽核心技術概述（三）： 藍芽協議規範（射頻、基帶鏈路控制、鏈路管理）

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關鍵詞：藍芽核心技術協議射頻基帶鏈路控制鏈路管理
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下載連結：Bluetooth PROFILE SPECIFICATIONS （基本涵蓋所有藍芽協議）、buletooth core 2.1-4.0 SPECIFICATION（三藍芽版本的核心協議v2.1\v3.0\v4.0）、藍芽核心技術與應用 馬建倉 版（藍芽協議相關初學者必讀，開發人員參考）

藍芽核心技術概述（一）：藍芽概述
藍芽核心技術概述（二）：藍芽使用情境
藍芽核心技術概述（三）： 藍芽協議規範（射頻、基帶鏈路控制、鏈路管理）

藍芽協議是藍牙裝置間交換資訊所應該遵守的規則。與開放系統互聯（OSI）模型一樣，藍芽技術的協議體系也採用了分層結構，從底層到高層形成了藍芽協議棧，各層協議定義了所完成的功能和使用資料分組格式，以保證藍芽產品間的互通性。
一、射頻協議
射頻位置如紅色部分。
1、工作頻率
藍芽工作在2.4GHz ISM頻段上，藍芽採用跳頻擴譜技術主動的避免工作頻段受幹擾（微波爐的工作頻率也是2.4GHz）。

地理位置	ISM頻段範圍	射頻通道頻率
中國、美國、歐洲	2400.0～2483.5MHz	F=(2402+k)MHz,k在0、1、……78中隨機取值
法國	2446.5～2483.5MHz	F=(2454+k)MHz,k在0、1、……22中隨機取值
日本	2471.0～2497.0MHz	F=(2473+k)MHz,k在0、1、……22中隨機取值
西班牙	2445.0～2475.0MHz	F=(2449+k)MHz,k在0、1、……22中隨機取值

我國的藍芽頻率在2.402GHz～2.483GHz,藍芽每個頻道的寬度為1MHz，為了減少帶外輻射的幹擾，保留上、下保護為3.5MHz和2MHz，79個跳頻點中至少75個偽隨機碼跳動，30S內任何一個頻點使用時間長度不能超過0.4S。
2、跳頻技術、發射功率、時隙
（1）、發射功率：藍芽發射功率分三級：一級功率100mW(20dBm)；二級功率2.5mW(4dBm)；三級功率1mW(0dBm)；
（2）、物理通道：藍芽物理通道有偽隨機序列控制的79個跳頻點構成，不同跳頻序列代表不同的通道。

（3）、時隙：藍芽跳頻速率為1600次/s,每個時間為625uS(1S/1600)稱為一個時隙；

二、基帶與鏈路控制協議

藍芽發送資料時，基帶部分將來自高層的資料進行通道編碼，向下發給射頻進行發送；接收資料時，將解調恢複空中資料並上傳給基帶，基帶進行通道編碼傳送給上層。

作用：跳頻選擇、藍芽編址、鏈路類型、通道編碼、收發規則、通道控制、音頻規範、安全設定。

1、藍芽分組編碼為小端模式；

2、藍芽地址

BD_ADDR：BluetoothDevice Address；

LAP:LowerAddress Part 低地址部分；

UAP: UpperAddress Part 高地址部分；

NAP: Non-significantAddress Part 無效地址部分。

3、藍芽時鐘
每個藍牙裝置都有一個獨立啟動並執行內部系統時鐘，稱為本地時鐘（Local Clock），決定定時器的收發跳頻。為了與其他裝置同步，本地時鐘要加一個位移量（offset），提供給其他裝置同步。
藍芽基帶四個關鍵周期：312.5uS、625uS、1.25mS、1.28S。

CLKN：本地時鐘：
CLKE:預計時鐘，掃描呼叫過程中用到；
CLK：裝置實際啟動並執行時鐘頻率。
CLKE、CLK由CLKN加上一個位移量得到的。

4、藍芽物理鏈路：
通訊裝置間物理層的資料連線通道就是物理鏈路。
ACL（Asynchronous Connectionless）非同步無串連鏈路；對時間要求不敏感的資料通訊，如檔案資料、控制信令等。
SCO（Synochronous Connection Oriented）同步連線導向鏈路；對時間比較敏感的通訊，如：語音；最多隻支援3條SCO鏈路，不支援重傳。
ACL用於資料轉送；
5、藍芽基帶分組：
基帶分組至少包括：接入碼、分組頭、有效載荷；

（1）、接入碼用於同步、直流、載頻泄漏偏置補償標識；
（2）、分組頭包含鏈路資訊，確保糾正較多的錯誤。
分組類型如下：

分組類別	Type(b3b2b1b0)	時隙	SCO	ACL
鏈路控制分組	0000	1	NULL	NULL
	0001		POLL	POLL
	0010		FHS	FHS
	0011		DM1	DM1
單時隙分組	0100	1	未定義	NULL
	0101		HV1
	0110		HV2
	0111		HV3
	1000		DV
	1001		NULL	AUX1
3時隙分組	1010	3	未定義	DM3
	1011			DH3
	1100			未定義
	1101
5時隙分組	1110	5	未定義	DM5
	1111

ACL分組形式為：D(M|H)（1|3|5）,D代表資料分組，M代表用2/3比例的FEC的中等速率分組；H代表不使用錯誤修正碼的高速率分組；1、3、5分別代表分組所佔用的時隙數目；
DM1、DM3、DM5、DH1、DH3、DH5
SCO分組形式為：HV(1|2|3)。HV代表高品質語言分組，1、2、3有效載荷所採用的錯誤修正碼方法。1為1/3比例FEC，裝置2個時隙發送一個單時隙分組；2為2/3比例FEC，裝置4個時隙發送一個單時隙分組；3為不使用錯誤修正碼，裝置6個時隙發送一個單時隙分組
HV1、HV2、HV3
ALC 分組：

類型	有效載荷頭/位元組	使用者有效載荷/位元組	FEC	CRC	對稱最大速率/kbps	非對稱速率/kbps
						前向	後向
DM1	1	0～17	2/3	有	108.8	108.8	108.8
DH1	1	0～27	無	有	172.8	172.8	172.8
DM3	2	0～121	2/3	有	258.1	387.2	54.4
DH3	2	0～183	無	有	390.4	585.6	86.4
DM5	2	0～224	2/3	有	286.7	477.8	36.3
MH5	2	0～339	無	有	433.9	723.2	57.6
AUX1	1	0～29	無	無	185.6	185.6	185.6

 SCO分組：

類型	有效載荷頭/位元組	使用者有效載荷/位元組	FEC	CRC	有效載荷長度	同步速率/kbps	佔用Tsco數目/語言長度
HV1	無	10	1/3		240位	64	2/1.25ms
HV2		20	2/3				4/2.5ms
HV3		30	無				6/3.75ms
DV	1D	10+(0-9)D	2/3D	有D		64+57.6D

注釋：D 只對資料區段有用，DV分組包含資料區段，也包含語言段。
（3）、有效載荷
分語言有效載荷、資料有效載荷。
6、藍芽的邏輯通道
鏈路控制通道：LinkControl  LC
鏈路管理通道：Link Manage LM
使用者非同步資料通道：User AsynchronizationUA
使用者同步資料通道：UserSynchronization US
使用者等時資料通道：UserIsochronous UI  UI
7、藍芽的收發規則


為RX緩衝。

為TX緩衝。
新分組到達時，ACL鏈路的RX緩衝器要流量控制，SCO資料不需要流量控制；
8、藍芽基帶通道和網路控制
1）、鏈路控制器狀態：
待機、串連
呼叫page、呼叫掃描pagescan、查詢inquiry、查詢掃描inquiry scan、主裝置相應Master Response、從裝置相應Slave Response、查詢相應inquiry response
2） 、串連狀態
啟用模式active、呼吸模式sniff、保持模式hold、睡眠模式park。
3）、待機狀態
         待機狀態是藍牙裝置預設低功耗狀態，此狀態下本地時鐘以低精度運行。藍芽從待機轉入呼叫掃描狀態，對其他呼叫進行響應成為從裝置；也可以從待機狀態進入查詢掃描狀態，完成一個完整的呼叫，成為主裝置。
9、接入過程
注釋：
IAC Inquiry AccessCode 查詢接入碼；
GIAC:通用查詢接入碼 DIAC：專用查詢接入碼；
DAC：DeviceAccess Code 裝置接入碼；
LAP：
         建立串連，必須使用查詢、呼叫；查詢過程使用IAC，發現覆蓋地區內的裝置、裝置的地址及其時鐘；串連過程使用DAC，建立串連的裝置處理呼叫過程，成為主裝置。、（1）、查詢過程
藍牙裝置通過查詢來發現通訊範圍內的其他藍牙裝置。查詢資訊分為GIAC、DIAC兩種。查詢發起裝置收集所有相應裝置的地址、時鐘資訊。
一裝置進入查詢狀態去發現其他裝置，查詢狀態下連續不斷的在不同頻點發送查詢訊息。查詢的跳頻序列有GIAC的LAP匯出。
一裝置想被其他裝置發現，就要周期性進入 查詢掃描狀態，以便相應查詢訊息。如：我們選擇裝置多長時間可見，其實就是  進入查詢掃描狀態。
A、查詢掃描
查詢掃描狀態下，接收裝置掃描接入碼的時間長度，足以完成對16個頻率的掃描。掃描區間長度Twindow inquiry scan。掃描在同一個頻率上進行，查詢過程用32跳專用查詢跳頻序列，此序列有通用查詢的地址決定，相位有本地時鐘決定，每隔1.28S變化一次。
B、查詢
與呼叫類似，TX用查詢跳頻序列、RX用查詢相應跳頻序列。
C、查詢相應
從裝置響應查詢操作。每個裝置都有自己的時鐘，使用查詢序列相位相同的幾率比較小。為了避免多個裝置在同一查詢跳頻通道同時啟用，從裝置查詢響應規定：從裝置收到查詢訊息，產生0-1023隻覺得額一個隨機數，鎖定當時相位輸入值進行跳頻選擇，從裝置此後的RAND時隙中返回到串連或者待機狀態。
（2）、呼叫掃描
DAC：DeviceAccess Code 裝置接入碼
呼叫掃描狀態下的裝置掃描視窗Twindowpage scan內監聽自己的DAC。監聽只在一個跳頻點進行。Twindow page scan足夠覆蓋16個呼叫掃描頻點。
呼叫掃描狀態，掃描在同一個頻率上進行，持續1.28S，在選擇另一個不同頻率。

SR模式	Tpage scan	呼叫次數Npage
R0	連續	>=1
R1	<=1.28S	>=128
R2	<=2.56S	>=256
預留	--	--

（3）、呼叫
主裝置使用呼叫發起一個主—從裝置串連，通過在不同的跳頻點上重複發送從裝置DAC來撲捉從裝置，從裝置在呼叫掃描狀態被喚醒，接收呼叫。
（4）、呼叫相應過程
三、鏈路管理器

如紅色部分，負責完成裝置：功率管理、鏈路品質管理、鏈路控制管理、資料分組管理、鏈路安全管理。
1、鏈路管理協議資料單元
         藍芽鏈路管理器接收到高層的控制資訊後，不是向自身的基帶部分分發控制資訊，就是與另一台裝置的鏈路管理器進行協商管理。這些控制資訊封裝在鏈路管理協議資料單元LMP_PDU中，由ACL分組的有效載荷攜帶。
2、鏈路管理器協議規範
（1）、裝置功率管理
         RSSI保持模式、呼吸模式、睡眠模式。
（2）、鏈路品質管理 QoSQuality of Service
A、ACL鏈路。
B、SCO鏈路。
（3）、鏈路控制管理
裝置呼叫模式、裝置角色轉換、時鐘計時設定、資訊交換:版本資訊、支援特性、裝置名稱；建立串連、鏈路釋放。
（4）、資料分組管理