蓝牙基础知识01

 1、蓝牙

　　一种利用低功率无线电，支持设备短距离通信的无线电技术，它工作在全球通用的2.4GHz ISM（Industrial(工业)，Scientific(科学), Medical(医学)） 频段，使用IEEE802.11协议。为了对抗工作在2.4GHz频段的WIFI、ZigBee等设备干扰，蓝牙设备采用调频机制。

2、蓝牙协议(两种协议，二者不互通，一般需要厂商支持二者协议，统称双模)

　　①、BR：basic rate

　　　　BR是经典蓝牙，包括可选的EDR技术、交替射频的MAC层和PHY层扩展（简称AMP）；

　　　　其中BR与EDR可以同时存在，但是BR/ERP和AMP仅可二选一。

　　②、LE：low energy

　　　　低功耗蓝牙LE与经典蓝牙BR虽然使用2.4GHz无线电频率技术，但是技术相差很大，

　　　　BLE主要使用在IOT产品领域

　　③、BLE的协议层架构

• 物理层（Physical layer， PHY）: 物理层规定工作频段，40个RF Channel，其中3个广播信道，37个数据信道，GFSK调制方式，接收机灵敏，发射功率等。通信双工模式，TDD模式。物理层性能对硬件设备起决定性作用，特别是功耗，误码率，差分误差向量等。

　　　　BLE工作在ISM频段的2400-24835MHz，占用40个射频信道，信道间隔2MHz，中心频率为2402+k*2  MHz。k=0,1,…,39。其中包括3个广播信道（37，38，39）和37个数据信道（如下图）。

• 链路层（link layer， LL）：链路层是BLE协议栈的核心。工作包括自适应跳频地图，频点的选择。数据发送slot，以及接收数据确认。但并不负责数据的解析工作。解析工作由上层负责。下图是链路层抽象出的5种状态：

• 接口层（Host Controller Interface， HCI）：HCI用于规范Host与Hostcontroller之间的通信协议和通信命令。HCI层屏蔽了控制层，为协议层的上层提供了进入基带的统一方式。HCI通过包的方式来传送数据、命令和事件，所有在主机和主机控制器之间的通信都以包的形式进行。包括每个命令的返回参数都通过特定的事件包来传输。HCI有数据、命令和事件三种包，其中数据包是双向的，命令包只能从Host发往Host controller，而事件包始终是Host controller发向Host。
• 通用访问协议（Generic access profile，GAP）：负责处理设备访问模式，包括：被发现、建立连接、终止连接、初始化安全管理和设备配置

GAP层可以扮演四种角色之一：

    Broadcaster 广播者----不可以连接，一直发送广播

    Observer 观察者----可以扫描广播，但是不能发起建立连接的设备

    Peripheral 外设----可以被连接,在单个链路层连接中作为Server

    Central 中央设备----可以扫描广播并发起连接，在单个或多个链路层中作为Client

• 逻辑链路控制和适配协议（Logical Link Control and Adaptation Protocol， L2CAP）： 该层定义两个基本概念L2CAP 信道和L2CAP 信令，L2CAP信道是一个双向数据通道，通向对端设备上的某一特定的协议或规范。支持数据的分割和重组，使得较大的报文可以在底层无线电中进行传输
•  安全管理层（Security Manager，SM）：定义BLE通信两端设备的配对方法和密钥分发的工作模式，提供了加密、认证等安全保障。对数据进行加密，BLE使用AES加密算法，通过复杂的认证过程，保证该加密算法的密钥能够被安全的传递到通信链路两端的设备中
•  属性协议层（Attribute protocol，ATT）：在ATT层协议框架内，拥有一组属性的设备称为服务端（Server），读写该属性值的设备称为客户端（Client），Server和Client通过ATT PDU进行交互。

• 通用属性配置文件层（Generic Attribute profile， GATT）：GATT用来规范attribute中的数据内容，并运用group（分组）的概念对attribute进行分类管理。BLE 连接都是建立在 GATT (Generic Attribute Profile)协议之上。

　3、蓝牙架构

　　1.1 、 SOC蓝牙单芯片方案

　　　　半导体厂商半开源协议栈，把开发的蓝牙协议栈直接烧写到蓝牙芯片中（CSRBC4/5, CSR8675 ,TI CC2540, NRF51xxx, NRF52xxx, ESP32xx等），此类芯片一般作为MCU使用，用于消费类电子，集成度高，可直接调整参数使用。

　　1.2、SOC蓝牙+MCU方案

　　　　在集成好蓝牙芯片的基础上，通过特定的接口（UART居多），发送自定义的command来实现功能。比如市面上的蓝牙串口模块。

　　1.3、蓝牙host+controller分开方案

　　　　这种方案应用在蓝牙多场景，多蓝牙协议设计中，比如蓝牙电话（HFP）、蓝牙音频（A2DP）、蓝牙音乐控制（AVRCP）、蓝牙电话本（PBAP）、蓝牙短信（MAP）等。