Bluetooth Low Energy鏈路層

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1. 介紹 1.1 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

1.2 位元序(Bit Ordering)

在鏈路層規範中規定Packet/PDU位元序為Little Endian format
LSB最先發送

1.3 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

1.4 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

2. BLE Packet2.1 資料包格式

對於BLE鏈路層，advertising/data channel packet格式如下

資料包長度為80~376bits(10~47Byte)
- Preamble: 前置碼，用於接收方同步頻率等
    advertising channel packet - 10101010b
    data channel packet        - 10101010b(Access Address的LSB為0)或01010101b(Access Address的LSB為1)
- Access Address: 接入地址
    advertising channel packet - 0x8E89BED6
    data channel packet        - 每個鏈路層串連都有其唯一值，由initiator隨機產生，相關限制可參看規範
- PDU: 協議資料單元，對於advertising和data channel packet，有各自的格式要求
- CRC: 由PDU計算得到

2.2 RFU

Reserved For Future Use，留待後用，設定為0，接收後被忽略

2.3 Advertising Channel PDU

PDU格式如下
 
Header部分格式如下

- PDU Type: 定義PDU類型

- TxAdd/RxAdd: 由PDU類型決定，若未定義，則認為是RFU
- Length: 定義Payload的位元組數(octets)，有效範圍是6~37Bytes
- Payload: 由PDU類型決定

在Adv PDUs中，AdvData/ScanRspData指來自Host的資料

2.3.1 Advertising PDUS

Advertising PDUS包含下面幾種類型

- ADV_IND: 表明自己是可以被串連的
    Payload - AdvA(6 octets) + AdvData(0~31 octets)
        AdvA欄位為advertiser的地址(TxAdd=0表示公用地址, Txadd=1表示隨機地址)

- ADV_DIRECT_IND: 向特定裝置建立串連
    Payload - AdvA(6 octets) + InitA(6 octets)
        AdvA欄位為advertiser的地址(TxAdd=0表示公用地址, Txadd=1表示隨機地址)
        InitA欄位為initiator(接收方)的地址(RxAdd=0表示公用地址, Rxadd=1表示隨機地址)

- ADV_NONCONN_IND: 用於廣播資訊
    Payload - AdvA(6 octets) + AdvData(0~31 octets)
        AdvA欄位為advertiser的地址(TxAdd=0表示公用地址, Txadd=1表示隨機地址)

- ADV_SCAN_IND: scannable undirected advertising event
    Payload - AdvA(6 octets) + AdvData(0~31 octets)
        AdvA欄位為advertiser的地址(TxAdd=0表示公用地址, Txadd=1表示隨機地址)

這些PUDs的資料流向為 advertiser->scanner/initiator

2.3.2 Scanning PDUS

Scanning PDUS包含下面幾種類型

- SCAN_REQ: 資料流向為 scanner->advertiser
    Payload - ScanA(6 octets) + AdvA(6 octets)
        ScanA欄位為scanner的地址(TxAdd=0表示公用地址, Txadd=1表示隨機地址)
        AdvA欄位為advertiser的地址(RxAdd=0表示公用地址, Rxadd=1表示隨機地址)

- SCAN_RSP: 資料流向為 advertiser->scanner
    Payload - AdvA(6 octets) + ScanRspData(0~31 octets)
        AdvA欄位為advertiser的地址(TxAdd=0表示公用地址, Txadd=1表示隨機地址)

2.3.3 Initiating PDUS

Initiating PDUS包含下面的類型

- CONNECT_REQ: 資料流向為 initiator->advertiser
    Payload - InitA(6 octets) + AdvA(6 octets) + LLData(22 octets)
        InitA欄位為scanner的地址(TxAdd=0表示公用地址, Txadd=1表示隨機地址)
        AdvA欄位為advertiser的地址(RxAdd=0表示公用地址, Rxadd=1表示隨機地址)
        LLData欄位如下，詳細資料請參看規範
          

2.4 Data Channel PDU

Data Channel PDU格式如下
 

2.4.1 Header

Header部分格式及欄位含義如下

2.4.2 Payload

Payload格式由LLID欄位決定，有下面兩種類型

- LL Data PDU: 用來發送L2CAP資料, LLID為01b/10b
- LL Control PDU: 用來控制鏈路層串連, 詳細資料請參考規範
    Payload - Opcode(1 octet) + CtrData(0~22 octets)
     

2.4.3 MIC

MIC(Message Integrity Check)

- 不存在的情況
   ~ 在非加密串連中
   ~ 加密串連, Payload為空白
- 存在的情況
   ~ 加密串連, Payload不為空白

3. Air Interface Protocol

參考BLE規範下面章節
Low Engrgy Controller volume
- Link Layer Specification 
    - AIR INTERFACE PROTOCOL

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