【链路层】空口数据包详解(1)：LE未编码物理层的数据包格式

前导码（Preamble）：
- 在LE 1M物理层上传输或接收时，前导码为1个字节（octet）。
- 在LE 2M物理层上传输或接收时，前导码为2个字节。
- 前导码用于同步和定时估计。
接入地址（Access Address）：
- 接入地址是4个字节的值，用于标识特定的连接或广播。
协议数据单元（PDU）：
- PDU的长度范围是2到258个字节，它包含了要传输的实际数据。
循环冗余校验（CRC）：
- CRC是3个字节的值，用于检测数据包在传输过程中是否发生了错误。
恒定音调扩展（Constant Tone Extension，CTE）（可选）：
- CTE是一个可选的字段，通常用于信道探测和定位等应用。
- 当数据包包含CTE时，它位于CRC之后。

1.2. 传输特性

数据包中的各个字段按顺序传输：首先是前导码，然后是接入地址、PDU、CRC（以及可选的CTE）。
整个数据包以相同的符号速率传输，对于LE 1M物理层是1 Msym/s（每秒百万符号），对于LE 2M物理层是2 Msym/s。
不包括CTE的数据包传输时间介于44到2128微秒（µs）之间。
当存在CTE时，CTE的持续时间介于16到160微秒之间。

这些参数确保了BLE设备在低功耗的条件下能够高效地传输数据，并且具有一定的错误检测能力。通过精心设计的数据包结构和传输参数，BLE技术能够在各种应用场景中实现稳定的无线通信。

二、前导码(Preamble)

在低功耗蓝牙（BLE）技术中，所有链路层（Link Layer）数据包都包含一个前导码。前导码是由0和1位交替组成的固定序列。

2.1. 功能

频率同步：接收端使用前导码进行频率同步。
符号定时估计：接收端通过前导码进行符号定时估计。
自动增益控制（AGC）训练：接收端利用前导码进行AGC训练，以调整信号增益。

2.2. 长度

LE 1M物理层（PHY）：前导码长度为8位（1个字节）。
LE 2M PHY：前导码长度为16位（2个字节）。

2.3. 位同步

前导码的第一个位（传输顺序）与接入地址的最低有效位（LSB）相同，有助于接收端快速识别并同步数据包。

2.4. 重要性

前导码的结构如图2.2所示。在实际应用中，前导码是一个非常重要的组成部分，因为它确保了数据包在无线信道中的可靠传输。通过前导码，接收端能够进行精确的同步和定时估计，从而正确地接收和解码后续的数据包内容。

此外，前导码还有助于接收端进行自动增益控制（AGC）训练。AGC是一种用于调整接收端信号增益的技术，以确保接收到的信号强度适中，既不过强也不过弱。通过前导码，接收端可以评估信号的强度，并相应地调整增益，从而优化数据包的接收效果。

前导码在BLE技术中扮演着至关重要的角色。它确保了数据包在无线信道中的可靠传输，并为后续的同步、定时估计和AGC训练提供了基础。

三、接入地址（Access Address）

在低功耗蓝牙（BLE）技术中，接入地址（Access Address，AA）扮演着重要角色。接入地址在BLE技术中用于确保数据包能够正确同步和识别，其生成和使用需遵循一系列严格的规定和要求。

3.1. 周期性广播序列中的接入地址

对于周期性广播序列中的AUX_SYNC_IND、AUX_CHAIN_IND、AUX_SYNC_SUBEVENT_IND、AUX_CONNECT_REQ和AUX_CONNECT_RSP等PDU，其接入地址应使用AUX_ADV_IND PDU中SyncInfo字段所设置的AA值。
对于带响应的周期性广播序列中的AUX_SYNC_SUBEVENT_RSP PDU，其接入地址应使用AUX_ADV_IND PDU中周期性广播响应定时信息所设置的AA值。
对于给定的带响应的周期性广播序列，AUX_SYNC_SUBEVENT_RSP PDU的AA值应与AUX_SYNC_SUBEVENT_IND PDU的AA值不同。

3.2. 其他广播信道数据包的接入地址

对于其他广播信道数据包，其接入地址应为固定值0b10001110_10001001_10111110_11010110（0x8E89BED6）。

3.3. 链路层状态与接入地址生成

任意两个设备之间的每个链路层连接、每个基本信息集（BIS）以及每个周期性广播序列都有不同的接入地址。

发起状态：在其发送的每个发起 PDU 时生成一个新的接入地址。
广播状态：每次启用周期性广播序列时生成新的 AA（对于带有响应的广播，还需为响应生成第二个 AA）。第一个地址在该周期性广播序列的 PDU 的同步信息字段中发送，第二个地址在该序列的周期性广播响应定时信息中发送。
连接状态（中央角色）：处于连接状态的中央角色的链路层应为其创建的每个连接同步流（CIS）生成一个新的接入地址。该地址在用于创建 CIS 的链路层控制 PDU 中发送。

3.4. 接入地址要求

接入地址应为 32 位值。每次需要新的接入地址时（广播同步流（BIS）除外），链路层应生成一个新的随机值。

不应与现有 ACL 连接、CIS、周期性广播序列、BIS、大信息组控制逻辑链路的 AA 相同。
新 CIS 的 AA 应与同一设备上其他 AA 相差不止一位。
不应有超过六个连续的零或一。
不应是广播信道数据包的 AA 或仅相差一位的序列。
不应有所有四个八位字节都相等。
不应有超过 24 次转换，且在最高有效六位中至少有两次转换。

3.5. 广播同步集（BIG）中的接入地址

链路层在同步广播状态时，应为每个BIG生成新的种子接入地址（SAA）。SAA 应满足特定要求，如 SAA19 = SAA15，SAA22 = SAA16 ≠ SAA15，SAA25 = 0，SAA23 = 1。
BIG中BIS和BIG控制逻辑链路的接入地址应从SAA派生。
对于每个BIS逻辑传输，其接入地址应等于SAA与该逻辑传输的分化字（DW）按位异或（XOR）的结果。

3.6. 随机数生成器的种子

随机数生成器的种子应来自物理熵源，并至少具有20位的熵。
如果生成的随机数和（对于SAA）派生的BIS和BIG控制逻辑链路的接入地址不满足上述要求，则应继续生成新的随机数，直到满足要求为止。

3.7. 支持LE编码物理层时的额外要求

如果设备还支持LE编码物理层，则接入地址还需满足额外的要求，如在最低有效8位中至少有三个1，以及在最低有效16位中不超过11个转换等。

四、协议数据单元（PDU）

在蓝牙通信中，PDU（Protocol Data Unit，协议数据单元）是数据包的核心部分，它紧随前导码（Preamble）和接入地址（Access Address）之后。PDU的具体内容取决于数据包是在哪个物理通道上传输的。

4.1. 广播物理通道PDU

当数据包在主广播物理通道、次广播物理通道或周期性物理通道上传输时，PDU应为广播物理通道PDU。这种PDU的定义和格式可以参考低功耗蓝牙核心规范的第2.3节。广播物理通道PDU通常用于广播设备信息、设备发现和服务发现等过程。

4.2. 数据物理通道PDU

当数据包在数据物理通道上传输时，PDU应为数据物理通道PDU。这种PDU的定义和格式可以参考低功耗蓝牙核心规范的第2.4节。数据物理通道PDU主要用于设备之间的数据传输，包括语音、视频、文本和其他类型的数据。

4.3. 同步物理通道PDU

当数据包在同步物理通道上传输时，PDU应为同步物理通道PDU之一。这种PDU的定义和格式可参考低功耗在蓝牙核心规范的第2.6节。同步物理通道PDU主要用于传输需要低延迟和高可靠性的数据，如音频和视频流。

4.4. PDU的组成

PDU通常由多个字段组成，包括但不限于：

PDU头部：包含有关PDU类型和长度的信息。
有效载荷：包含实际传输的数据。
CRC（循环冗余校验）：用于检测数据传输中的错误。

4.5. 注意事项

在不同的物理通道上传输的PDU具有不同的格式和用途，需要根据具体的应用场景选择合适的PDU。
PDU的设计需要考虑到数据传输的可靠性、效率和安全性等因素。
在蓝牙通信中，PDU的传输需要遵循特定的规则和协议，以确保数据的正确传输和接收。

PDU是蓝牙通信中非常重要的组成部分，它负责在设备之间传输实际的数据。通过选择合适的PDU类型和格式，并遵循蓝牙通信的规则和协议，可以实现高效、可靠和安全的蓝牙通信。

五、循环冗余校验（CRC）

PDU 之后是一个 24 位的 CRC。它应针对 PDU 进行计算。

5.1. CRC的定义与作用

CRC是一种基于数据计算校验码的方法，用于核对数据传输过程中是否被更改或出现传输错误。在蓝牙技术中，CRC被广泛应用于确保数据包的完整性和正确性。

5.2. CRC的计算

多项式：蓝牙规范中定义的CRC多项式为x10 + x6 + x3 + x + 1。这是一个24位的CRC多项式，用于生成和校验CRC码。
计算过程：CRC的计算涉及将PDU中的所有比特从最低有效位（LSB）开始按传输顺序进行处理。通常通过线性反馈移位寄存器（LFSR）来实现，该寄存器使用上述多项式进行配置。
初始化：对于每个数据通道PDU和同步连接PDU，移位寄存器应预先设置为ACL连接设置的CRC初始值。对于不同的PDU类型（如AUX_SYNC_IND PDU及其子集、广播物理通道PDUs等），移位寄存器的初始化值可能有所不同。

5.3. CRC的应用

数据完整性校验：在接收端，通过重新计算接收到的PDU的CRC并与发送端附加的CRC进行比较，可以验证数据在传输过程中是否发生了更改或错误。
错误处理：如果接收到的CRC与计算出的CRC不匹配，则表明数据包在传输过程中可能出现了错误，该数据包应被拒绝。

5.4. 注意事项

加密与CRC：如果PDU已加密，则CRC应在加密后的PDU上计算。这意味着加密过程不会影响CRC的校验能力。
白化与CRC：数据白化是一种用于避免长序列的0或1在数据位流中出现的技术。在蓝牙技术中，白化应用于所有链路层数据包的PDU和CRC字段。然而，白化过程在CRC生成之后进行，因此不会影响CRC的计算。

CRC在蓝牙技术中扮演着至关重要的角色，它确保了数据包的完整性和正确性。通过仔细计算和校验CRC，可以大大提高数据传输的可靠性和稳定性。

六、恒音扩展（Constant Tone Extension）

6.1. 定义与特点

Constant Tone Extension（CTE）是一个可选的字段，它位于CRC之后，由一系列未经过白化处理的持续调制的1组成。这个字段主要用于支持基于到达角度（AoA）和离开角度（AoD）的定位技术。CTE不会被包括在CRC或消息完整性校验（MIC）的计算中。

6.2. 应用场景

CTE主要应用于需要高精度定位的场景中，如室内导航、物品追踪等。通过测量CTE的到达时间差（TDOA）或相位差（PDOA），可以实现设备的精确定位。

6.3. 传输规则

物理通道：CTE不会在同步物理通道的数据包中出现。这意味着，在同步传输中，如音频或视频流的传输中，不会包含CTE字段。
调制方式：CTE的调制方式与数据包的其余部分相同，但它是持续调制的，且由未白化的1组成。
长度：CTE的长度可以在一定范围内变化，具体长度由发射器根据需求确定。然而，它必须满足蓝牙规范中规定的最小和最大长度要求。

在低功耗蓝牙核心规范的第2.5节中，对CTE进行了更详细的讨论。这包括CTE的结构和类型、发射器和接收器的行为要求以及支持CTE的设备的性能要求等。

Constant Tone Extension是蓝牙技术中一个重要的可选字段，它主要用于支持高精度定位技术。通过遵循蓝牙规范中规定的传输规则和要求，可以实现CTE的有效传输和接收，从而满足各种应用场景的需求。

七、总结

蓝牙LE未编码物理层的数据包格式是低功耗蓝牙通信的基础，其结构由四个必选字段（前导码、接入地址、PDU、CRC）和一个可选字段（CTE）组成。

前导码在不同物理层有不同长度，用于频率同步、符号定时估计和自动增益控制训练，其第一位与接入地址的最低有效位相同。接入地址在不同场景下有特定要求，包括周期性广播序列、其他广播信道等，且需满足一系列严格的生成要求。PDU 根据数据包传输的物理通道不同而有不同类型，分别用于广播物理通道、数据物理通道和同步物理通道等，由多个字段组成且需考虑不同因素。CRC 是 24 位的值，用于校验数据传输的完整性，其计算涉及特定多项式和过程，且在不同 PDU 类型中有不同的初始化值。CTE 是可选字段，由未白化的 1 组成，主要用于高精度定位场景，在同步物理通道的数据包中不会出现，其长度有一定范围要求。通过对这些组成部分的深入分析，全面了解低功耗蓝牙 LE 未编码物理层数据包格式的特点和应用。

综上所述，LE未编码物理层的数据包格式是一个结构化的数据封装方式，它确保了数据包在无线信道中的可靠传输和高效处理。通过精心设计的字段和校验机制，BLE设备能够在低功耗的条件下实现稳定的通信连接和数据传输。

标签：LE,传输,接入,PDU,CRC,地址,数据包,链路层
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