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# 蓝牙概述 #

从这一章节开始尝试去系统地了解蓝牙协议栈，在这之前我们需要储备以下知识点：

## 蓝牙 ##

蓝牙是一种短距离的无线通信技术，设计之初是为了取代有线连接，其鲁棒性、低功耗、低成本特性已经让其广泛应用于各种终端产品。

蓝牙核心规范是根据不同终端产品可选择、可裁剪的。根据功耗和速率主要被设计为两种设备类型—— LE 和 BR ，两种设备都实现设备发现、连接建立、连接机制。同时 BR 无线系统还包含一个可选择的 EDR 设备类型，EDR 又包含一个二选一的 MAC 层以及可扩展的 PHY 层。基于这些设计 BR 的速率可以达到 721.2kb/s ，EDR 可以达到 2.1Mbps 以及工作在高速模式的 802.11AMP 54Mbps。

蓝牙发展至今，已经从 1.0 到现在 5.0 版本了。前面 3 个版本蓝牙主要是以 BR / EDR / HS发展，也就是我们常说的经典蓝牙。4.0 版本后引入 LE ，蓝牙技术联盟（Bluetooth Special Interest Group，简称 SIG ）维护着蓝牙核心规范。不难看出，从高速 AMP 直接使用 802.11 PHY，还是低功耗参考使用802.15.4 以及最新标准的蓝牙 5.0 协议，SIG 一直在功耗、速率、和最新的物联网功能上面平衡。

>**注意**：注意区分 BLE 、BR、EDR 等特定术语，区分低功耗蓝牙和经典蓝牙。

蓝牙核心系统由两个逻辑实体 Host & Controller 组成，一个 Host 对应一个或者多个 Controller ，Host 和 Controller 之间通过 HCI 接口层交互。Controller 对应两种类型：Primary Controllers 和 Secondary Controllers 。通常来说 Primary Controllers 只有一个，Secondary Controllers 可能有多个。

* 对于 BR/EDR 蓝牙设备类型，Controller 通常包含无线电处理、基带、链路管理、和可选择的 HCI 接口层；
* 对于 LE Controller 主要包含 LE PHY、链路层、和可选择的 HCI ；
* 通常来说还可以合并 BR/EDR Controller 和 LE Controller 到一个 Controller，也就是常说的双模蓝牙。

![](http://www.leconiot.com/md_res/cc2640r2f/ble_stack_app/bluetooth_overview/Images/HostController0.png)
![](http://www.leconiot.com/md_res/cc2640r2f/ble_stack_app/bluetooth_overview/Images/HostController2.png)

上图完整演示了 LE 核心系统、BR/EDR 核心系统、带 Secondary Controller AMP 的 BR/EDR 核心系统、以及合并 LE & BR/EDR 的双模蓝牙系统。

## LE ##

### 信道 ###

BLE 工作在无需认证的 2.4G 免费频段，该频段广泛应用于 ISM（工业、科学、医疗）领域。它是通过跳频通信来实现抗干扰特性的，调制方式为GFSK 调制。采用 1Mbps 码元率 PHY层设计，可以实现 1Mbps 波特率通信，BLE5.0 优化的物理层可以工作在 2Mbps 码元率。

2.4G 的频段按照每 2M 带宽划分为 40 个信道，由 FDMA（频分多址）和 TDMA(时分多址)实现多路访问信道资源。

![](http://www.leconiot.com/md_res/cc2640r2f/ble_stack_app/bluetooth_overview/Images/ChannelMap.png)

信道资源被约定的 `Events` 划分为以时间单位访问，有效数据也包含在这些 `Events` 里面。`Events` 以连接状态为区分，包含未连接的 `Advertising Events` 和已经连接的 `Connection events`。

在物理信道发送广播包的设备称为 `Advertisers`，接收到该广播包但是还没有建立连接意图前的设备称为 `Scanners` 。
如下图所示，`Advertisers` 在 3 个广告信道（可配置）轮询发生 `Advertising Events` ，`Scanners` 接收到该广告包后可能在该信道发生的事件类型是`ScanReq` 扫描请求和 `ScanRsp` 扫描回复。

![](http://www.leconiot.com/md_res/cc2640r2f/ble_stack_app/bluetooth_overview/Images/AdvertisingEvents.png)

如果此时 `Scanner` 产生了尝试建立连接请求，`Scanner` 身份切换为 `Initiators` 。`Initiators` 会在接收到 `Advertising Events` 产生一个时间类型为 `Connect` 的连接请求。一旦建立连接请求，`Advertiser` 和 `Initiators` 分别切换为 `Slave` 和 `Master`。

![](http://www.leconiot.com/md_res/cc2640r2f/ble_stack_app/bluetooth_overview/Images/ConnectionEvents.png)

在建立连接的时候，Master 会基于某种算法产生一个跳频序列，保证 37 个数据信道按照某个序列进行跳频切换。双方会约定一个跳频间隔，保证通信双方在固定时间在固定信道相遇。

## 分层设计 ##

![](http://www.leconiot.com/md_res/cc2640r2f/ble_stack_app/bluetooth_overview/Images/Architecture.png)

如上图所示：

**Controller**

* LinkManager、LinkController、BR/EDR Radio 组成 BR/EDR Controller;
* AMP PAL 、AMP MAC、 AMP PHY 组成 AMP Controller;
* Link Manager,Link Controller、LE Radio 组成 LE Controller；

** Host **

* L2CAP、SDP、GAP 组成 BR/EDR Host；
* L2CAP、SMP、Attribute protocol、GAP GATT组成 LE Host；

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