低功耗蓝牙协议栈基础知识

低功耗蓝牙协议栈基础知识

低功耗蓝牙协议栈包含两部分共8层：主机（Host）和控制器（Controller）。 控制器部分包括：

物理层（Physical Layer）链路层（Link Layer）主机控制接口层（Host Controller Interface）

主机部分包括：

L2CAP 逻辑链路控制及自适应协议层（Logical Link Control and Adaptation Protocol）安全管理层（Security Manager）ATT 属性协议层（Attribute Protocol）GAP 通用访问配置文件层（Generic Access Profile）GATT 通用属性配置文件层（Generic Attribute Profile）

从应用层到物理层一共包含8层，如下图所示。对于开发者而言，不需要对每一层的具体实现都有深入的了解。只需要掌握与应用紧密相关的 GAP/GATT 层即可满足大部分开发的需求，通过 SoftDevice（即协议栈，这种方式使得协议栈和用户应用可以单独编译和链接）的 API 软件接口（以 ​​sd_​​ 开头）调用来实现。

1、物理层（Physical Layer）

对于低功耗蓝牙，其物理层工作于 2.4GHz 全球通用的免许可证频段（2400MHz~2483.5MHz），共使用 40 个频道，频道间隔为 2MHz，而经典蓝牙使用 79 个频道，1MHz 间隔。低功耗蓝牙有两种频道类型：广播频道 3 个，数据频道 37 个，共 40 个频道。

低功耗蓝牙广播频道为 2402 MHz（37），2426 MHz（38），2480 MHz（39），你没看错！就是2402 MHz（37），2426 MHz（38），2480 MHz（39）。3 个广播频道刚好与 WiFi 无线局域网的信道错开，用于设备发现和建立连接。相比之下，经典蓝牙技术需要使用 32 个广播频道来完成相同的任务。正因如此，低功耗蓝牙可以大幅减少在空中的使用时间，从而降低功耗。

由于使用 3 个广播频道，低功耗蓝牙只需 0.6 到 1.2ms 的“开启”时间来扫描其他设备。而经典蓝牙需要 22.5ms 扫描其 32 个频道。低功耗蓝牙的这个机制对降低功耗有显著效果（比经典蓝牙减少 10 到 20 倍的功耗）。 　　 由于蓝牙和 WiFi 都工作在 2.4GHz 频段，在同一使用环境下可能产生相互的影响，为此低功耗蓝牙做了系统共容性的考虑。低功耗蓝牙频道表设计时尽量避开 WiFi 的工作频道，低功耗蓝牙的所有 3 个广播频道均在 WiFi 频道表之外，除了重叠的数据频道部分，仍有 9 个数据频道在 WiFi 频道之外，确保了低功耗蓝牙系统的可靠性及与 WiFi 系统的共容性，增强了应用时的抗干扰能力。 　　 低功耗蓝牙规范中所定义的最大发射功率为 +10 dBm（10mW），最小发射功率为 -20 dBm（0.01mW）。接收机灵敏度要求优于 -70 dBm（当误码率 BER 为 0.1% 时）。

显而易见，蓝牙的通信距离与发射功率和接收灵敏度有关。

当发射功率为 0 dBm，接收机灵敏度为 -70 dBm，通信距离约为 30米。当发射功率为 +10 dBm，接收机灵敏度为 -90 dBm，通信距离约为 100米。

此外，通信距离往往还与天线、方向以及周围环境等诸多因素有关。

2、链路层（Link Layer）

链路层用于控制射频设备的工作状态，包括 5 种可能的工作状态：待机、广播、扫描、启动和连接。

当扫描者监听广播者时，广播者发送数据而不需要建立连接。如果一个设备以一个连接请求来响应一个广播者，该设备称为发起者。如果广播者接受该请求，则广播者和发起者将进入连接状态。当一个设备位于连接状态时，它将连接到两个角色之一（主机或者从机）。发起连接的设备成为主机，接受连接请求的设备成为从机。

3、主机控制接口（Host Controller Interface）

HCI 层为主机和控制器之间的通信提供了一种标准化的接口，其主要完成两个任务：① 发送命令给控制器和接收来自控制器的事件；② 发送和接收来自对端设备的数据。

4、L2CAP 逻辑链路控制及自适应协议层

L2CAP 逻辑链路控制及自适应协议层（Logical Link Control and Adaptation Protocol）为更高层提供数据封装服务，允许逻辑的端到端数据通信。

5、安全管理层（Security Manager）

SM 层定义了配对和密钥分发的方法，并为其他堆栈层的安全连接以及与另一个设备交换数据提供功能。

6、ATT 属性协议层（Attribute Protocol）

ATT 属性协议用于所有低功耗蓝牙的数据传输，具有快速、简单的特点，其采用了客户端（Client）/ 服务器（Server）架构。

7、GAP 通用访问配置文件层（Generic Access Profile）

低功耗蓝牙协议栈的 GAP 层与应用 / Profile 直接连接，负责处理设备的接入方式和过程，包括设备发现、链路建立、链路终止、启动安全功能以及设备配置。

8、GATT 通用属性配置文件层（Generic Attribute Profile）

GATT 层是一个服务框架，定义使用 ATT 的子过程。GATT 规定了配置文件 Profile 的结构。在低功耗蓝牙中，所有的数据块由一个 Profile 或服务所使用的数据库称为特性（characteristic）。

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