Bluetooth low energy介紹

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1. 介紹

Bluetooth low energy，也稱BLE(低功耗藍芽)，在4.0規範中提出

BLE分為兩種裝置

- 單模(single-mode): Logo為「Bluetooth?Smart」- 雙模(dual-mode):   Logo為「Bluetooth?Smart Ready」

tip: 傳統藍芽的Logo為「Bluetooth?」

BLE與傳統藍芽的相容性如所示

可以看出他們之間的通訊規則如下(Bluetooth指代傳統藍芽,下同):

Smart Ready: Smart Ready、Bluetooth、SmartBluetooth:   Smart Ready、BluetoothSmart:       Smart Ready、Smart

2. 協議棧

BLE協議棧如所示

BLE協議棧由Controller和Host兩部分組成
Profile和Service基於GAP和GATT
應用協議定義其使用的服務，說明是感應器端還是接收端
定義GATT的角色(Server/Client)和GAP的角色(Peripheral/Central)

單晶片方案中，Controller和Host、Profile及應用都在同一晶片中
網路控制卡模式中，COntroller和Host運行在裝置中，但是Profile和應用則在其他裝置上，比如PC或者其他微控制器，可以通過UART、USB進行操作
雙晶片模式中，Controller運行在一個控制器，而Host、Profile和應用運行在另一個控制器上

1 - PHY: 1Mbps自適應跳頻GFSK，運行在2.4GHz頻段。
2 - LL:  RF控制器，控制裝置處於準備（standby）、廣播（Advertising）、監聽/掃描（scanning）、初始化（initiating）、串連（connected）這5中狀態中的一種
3 - HCI: 為介面層，向上為主機提供軟體應用程式介面（API），對外為外部硬體控制介面，可以通過串口、SPI、USB來實現裝置控制
4 - L2CAP: 為上層提供資料封裝服務，允許邏輯上的端到端資料通訊
5 - SM: 提供配對和密鑰分發服務，實現安全連線和資料交換
6 - GAP: 直接與應用程式或設定檔（Profiles）通訊的介面，處理裝置發現和串連相關服務。另外還處理安全特性的初始化
7 - ATT: 匯出特定的資料（稱為屬性）到其他裝置
8 - GATT: 定義了使用ATT的服務架構和設定檔（profiles）的結構。BLE中所有的資料通訊都需要經過GATT

3. 鏈路層(LL)3.1 鏈路狀態機器鏈路層操作可以描述為鏈路狀態機器(The Link Layer State Machine)
鏈路狀態機器有如下五種狀態

- Standby State:      準備,不傳輸或接受資料包- Advertising State:  廣播, advertiser,發送advertising channel packets,接受來自scanner的響應- Scanning State:     監聽/掃描, scanner,監聽來自advertiser的advertising channel packets- Initiating State:   初始化, initiator, 監聽來自特殊裝置的advertising channel packets,並進行初始化串連- Connection State:   串連, 有兩種角色: Master Role(從initiator進入)/Slave Role(從advertiser進入)

鏈路狀態機器只允許處於五種狀態之一
鏈路層可以有多個鏈路狀態機器，但至少有一個支援Advertising/Scanning State

處於Master Role的裝置可以和多個Slave Role分時通訊
處於Slave Role的裝置只能和處於Master Role的裝置通訊

展示了允許和禁止的鏈路狀態機器和角色的組合

3.2 位元序(Bit Ordering)

在鏈路層規範中規定PDU位元序為Little Endian format

3.3 裝置地址(Device Address)

裝置地址可以是公用地址或者隨機地址，長度為48 bits

- 公用地址: 採用IEEE 802-2001 standard的48-bit universal LAN MAC addresses

- 隨機地址: 詳細要求可參考規範

3.4 物理通道(Physical Channel)

BLE RF通道被定義為兩種: advertising and data

- advertising通道: 使用3個RF通道用來發現裝置，初始化串連和廣播資料- data通道:        則使用多達37個RF通道用於兩個串連裝置間通訊

RF Channel和Advertising/Data channel Index對應關係如

Bluetooth low energy介紹