藍芽協議學習整理（二）藍芽協議規範（射頻、基帶鏈路控制、鏈路管理）
第二章 藍芽協議規範（射頻、基帶鏈路控制、鏈路管理）
藍芽協議是藍芽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操作性。
一、射頻協議
射頻位置如上圖紅色部分。
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干擾（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干擾，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長不能超過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
藍芽傳送資料時，基帶部分將來自高層的資料進行通道編碼，向下發給射頻進行傳送；接收資料時，將解調恢復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、鏈路型別、通道編碼、收發規則、通道控制、音訊規範、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
每個藍芽裝置都有一個獨立執行的內部系統時鐘，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，本地時鐘要加一個偏移量（offset），提供給其他裝置同步。
藍芽基帶四個關鍵週期：312.5uS、625uS、1.25mS、1.28S。
- CLKN：本地時鐘：
- CLKE:預計時鐘，掃描尋呼過程中用到；
CLK：裝置實際執行的時鐘頻率。
CLKE、CLK由CLKN加上一個偏移量得到的。
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）非同步無連線鏈路；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）同步面向連線鏈路；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用於資料傳輸；
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、載頻洩漏偏置補償標識；
（2）、分組頭包含鏈路資訊，確保糾正較多的錯誤。
分組型別如下：
| 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 | 1010 | 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代表不使用糾錯碼的高速率分組；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代表高質量語言分組，1、2、3有效載荷所採用的糾錯碼方法。1為1/3比例FEC，裝置2個時隙傳送一個單時隙分組；2為2/3比例FEC，裝置4個時隙傳送一個單時隙分組；3為不使用糾錯碼，裝置6個時隙傳送一個單時隙分組
HV1、HV2、HV3
ALC 分組：
| 型別 | 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：
| 型別 | 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 |
註釋：D 只對資料段有用，DV分組包含資料段，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
上圖為RX快取。
上圖為TX快取。
新分組到達時，ACL鏈路的RX快取器要流量控制，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、連線
尋呼page、尋呼掃描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） 、連線狀態
啟用模式active、呼吸模式sniff、保持模式hold、休眠模式park。
（3）、待機狀態
待機狀態是藍芽裝置預設低功耗狀態，此狀態下本地時鐘以低精度執行。藍芽從待機轉入尋呼掃描狀態，對其他尋呼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，完成一個完整的尋呼，成為主裝置。
9、接入過程
註釋：
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：
建立連線，必須使用查詢、尋呼；查詢過程使用IAC，發現覆蓋區域內的裝置、裝置的地址及其時鐘；連線過程使用DAC，建立連線的裝置處理尋呼過程，成為主裝置。
（1）、查詢過程
藍芽裝置通過查詢來發現通訊範圍內的其他藍芽裝置。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，就要週期性進入 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
與尋呼類似，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機率比較小。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只覺得額一個隨機數，鎖定當時相位輸入值進行跳頻選擇，從裝置此後的RAND時隙中返回到連線或者待機狀態。
（2）、尋呼掃描
DAC：DeviceAccess Code 裝置接入碼
尋呼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個尋呼掃描頻點。
尋呼掃描狀態，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 | 尋呼次數Npage |
| R0 | 連續 | >=1 |
| R1 | <=1.28S | >=128 |
| R2 | <=2.56S | >=256 |
| 預留 | – | – |
（3）、尋呼
主裝置使用尋呼發起一個主—從裝置連線，通過在不同的跳頻點上重複傳送從裝置DAC來撲捉從裝置，從裝置在尋呼掃描狀態被喚醒，接收尋呼。
（4）、尋呼相應過程
三、鏈路管理器
如上圖紅色部分，負責完成裝置：功率管理、鏈路質量管理、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，就是與另一臺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、休眠模式。
（2）、鏈路質量管理 QoSQuality of Service
A、ACL鏈路。
B、SCO鏈路。
（3）、鏈路控制管理
裝置尋呼模式、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；建立連線、鏈路釋放。
（4）、資料分組管理