蓝牙BLE之系统学习

Posted 2022-02-04 while(1)

参考文章：

1. 蜗蜗科技

1 蓝牙BLE简介

蓝牙BLE英文为Bluetooh Low Energy，即低功耗蓝牙。

2 蓝牙BLE概述

2.1 ISM Band 2.4GMHz

下图是对Bluetooth Core的一个概述，从RF的Physical Channel，到Baseband的Physical Link、Logical Link、LMP、L2CAP等概念，都有一些粗略的介绍。

3 蓝牙BLE协议架构

如上图所示，BLE的协议可分为Bluetooth Application和Bluetooth Core两大部分，而Bluetooth Core又包含BLE Controller和BLE Host两部分。

3.1 Physical Layer

任何一个通信系统，首先要确定的就是通信介质（物理通道，Physical Channel）。在BLE协议中，“通信介质”的定义是由Physical Layer 负责。 在Physical Layer 中，BLE物理信道RF使用2.4GHz ISM(Industrial Scientific Medical) 频段，频率范围是2.400-2.4835 GHz。 其信道划分频点分别是‘f=2402+k*2 MHz, k=0, … ,39’，带宽为2MHz”的40个RF Channel。

3.2 Link Layer

在Physical Layer中定义了通信所需的物理通道，即40个RF Channel（后面统一使用Physical Channel指代）。至此，Link Layer主要功能是在这些Physical Channel上收发数据，与此同时，不可避免的需要控制RF收发相关的参数。因此Link Layer 还需解决如下问题：

• Physical Layer仅仅提供了有限的40个Physical Channel，而BLE中参与通信的实体的数量，肯定不是这个数量级。Link Layer需要解决Physical Channel的共享问题；

• 通信是两个实体之间的事情，对这两个实体来说，它们希望看到一条为自己独享的传输通道（就是我们所熟悉的逻辑链路，Logical Link）。这也是Link Layer需要解决的；

• Physical Channel是不可靠的，任何数据传输都可能由于干扰等问题二损毁、丢失，这对有些应用来说，是接受不了的。因此Link Layer需要提供校验、重传等机制，确保数据传输的可靠性；

• ……

3.2.1 Physical Channel 的共享

BLE系统只有有限的40个Physical Channel，怎么容纳多个通信实体呢？其解决方法如下，Link Layer将BLE的通信场景分为两类：

• 数据量比较少、发送不频繁、对时延不是很敏感的场景
  例如一个传感器节点（如温度传感器），需要定时（如1s）向处理中心发送传感器数据（如温度）。 针对这种场景，BLE的Link Layer采取的处理方式是广播通信： 从40个Physical Channel中选取3个，作为广播通道（advertising channel），在广播通道上，任何参与者都可以随意收发数据，且共享同一个逻辑传输通道（广播通道）。当然该方法存在较多的问题，如不可靠、不高效、不安全等。
• 数据量较大、发送频率较高、对时延较敏感的场景
  这种场景下，BLE的Link Layer会从剩余的37个Physical Channel中，选取一个，为这种场景里面的通信双方建立单独的通道（data channel），这就是 连接（connection） 的过程。同时，为了增加容量，增大抗干扰能力，连接不会长期使用一个固定的Physical Channel，而是在多个Channel（如37个）之间随机但有规律的切换，这就是BLE的跳频（Hopping）技术。

3.2.2 状态（state）和角色（role）的定义

基于上面“3.2.1 Physical Channel 的共享”小节的思路，BLE协议在Link Layer抽象出5种状态：

• Standby State

• Advertising State

• Scanning State

• Initiating State

• Connection State
  注1：从横向看，协议的每个层次（如这里的Link Layer）都可以当做可相互通信的实体。这里的状态，就是指这每一层实体的状态。因此，在协议的多个层次上，都可能有状态定义，甚至名字也一样，我们阅读协议栈的时候，一定要留意，不要被绕晕了。