蓝牙基础介绍

目录
一、概述（Overview）
二、框架结构（Frame Structure）
三、蓝牙协议（Bluetooth Protocol）

一、概述（Overview）

什么是蓝牙？就像你们大多数人想知道任何你从未听说过的事情时所做的那样。。。试试维基百科。
它(http://en.wikipedia.org/wiki/Bluetooth)如下所示。

蓝牙是一种专有的开放式无线技术标准，用于在固定和移动设备之间进行短距离数据交换（使用2400–2480 MHz ISM波段的短波长无线电传输），从而创建具有高度安全性的个人局域网（PANs）。由电信供应商爱立信（telecoms vendor Ericsson）于1994年创建，[1]最初被认为是RS-232数据电缆的无线替代品（wireless alternative）。它可以连接多个设备，从而克服同步（synchronization）问题。

要理解任何一种通信技术，你都应该能够回答有关它的几个基本问题。换句话说，如果你能回答以下问题，我想说你已经对它有了一些大致的了解。

是有线通信吗？还是无线通信？
如果是无线通信，它使用的波长（频率）范围是什么？
典型的传输范围是什么？（它能走多远）？
您可以发送和接收的典型数据速率（rate ）是多少？
典型的连接拓扑（connection topology）是什么？（是一对一连接？还是一对多连接？等等）

你能从我上面引用的维基百科定义中找到这些问题的答案吗？让我们逐一解决每一个问题。

是有线通信吗？还是无线通信？=>这就是“无线通信”。
如果是无线通信，它使用什么样的波长（频率）范围？=>它是2400~2800兆赫的频率范围，称为ISM（工业科学医学）频带。

典型的沟通范围是什么？（它能走多远）？===>它通常是几米的范围（不过维基百科的定义并没有明确说明这个范围）

您可以发送和接收的典型数据速率是多少？===>一开始，它的最大数据速率为1Mbps，现在大多为2,3Mbps（EDR）。最近的规范定义了用于更高数据速率的技术。

典型的连接拓扑是什么？（是一对一连接？还是一对多连接？等等）===它支持一对一和一对多的连接。

典型的蓝牙应用
在这里插入图片描述

二、框架结构（Frame Structure）

在任何类型的无线通信中，了解底层机制（underlying mechanism）的第一步是了解物理层帧结构（physical layer frame structure）和调制方案（the modulation scheme）。

1、实际通信中的跳频(Frequency Hopping in Real Communication)
蓝牙物理数据占用1MHz的射频带宽（RF bandwidth,），但蓝牙通信所需的实际频率范围超过80MHz。

这是因为发送器（sender）和接收器（reciever）在大约80兆赫的范围内为每一帧改变其通信信道（频率）。这种改变每次传输频率的方式被称为“跳频”。

每个信道（channel 的总体频率分配如下：
在这里插入图片描述
为了给你一些真实的跳频过程，我用信号分析仪（signal analyzer）捕捉到了真实的蓝牙通信信号。（用普通的模拟频谱分析仪（analog spectrum analyzer）很难捕捉到这种画面，你必须使用矢量频谱分析仪（vector spectrum analyzer）。但即使有矢量频谱分析仪，也不容易让设备捕捉到整个跳跃范围。你需要至少80 Mhz带宽的矢量频谱分析仪）
在这里插入图片描述
2、框架结构（Frame Structure）

现在让我们看看时域（time domain）中的基本传输单元（时隙或帧结构/Slot or Frame structure）。蓝牙插槽由三个主要组件（接入码、报头和有效负载/Access Code, Header and Payload）组成，如下所示。时隙的基本长度为366 us，根据有效载荷的长度，它可以扩展到1.622 ms或2.87 ms。

接入码（Access Code）和报头（Header）总是以GFSK进行调制，有效载荷（Payload）部分根据分组类型以三种不同方法之一（GFSK、1/4π DQPSK、8DPSK）进行调制。

以下是最传统的蓝牙插槽结构的框架结构。使用此结构可以实现的最大数据速率（data rate）为1Mbps，并且此结构在整个插槽中使用GFSK调制方案。
在这里插入图片描述
以下是用于高数据速率蓝牙时隙结构的帧结构。有了这种结构，根据有效载荷的调制方案（modulation scheme），您可以实现最大2MHz或3MHz。接入码和报头部分仍然使用GFSK调制方案，并且有效载荷部分对于2Mbps数据速率使用1/4π DQPSK，对于3Mbps使用8 DPSK。与前一个相比，您将在这个结构中看到两个额外的部分。

第一个附加组件是“防护时间（Guardtime）”。在该结构中，接入码和报头部分使用GFSK，而有效载荷部分使用DQPSK/8 DPSK。这意味着调制方案在一个时隙内发生变化。这个保护时间是为了给发射机（transmitter ）一些时间来切换调制方案。

另一个附加组件是“同步（Sync）”部分。在任何基于I/Q的调制中，采样定时（sampling timing）都是非常重要的。“同步”是参考信号（reference signal）的一部分，因此接收器可以获得正确的定时参考。
在这里插入图片描述
3、调制（Modulation）

当您阅读前面关于插槽结构的部分时，您可能会注意到蓝牙插槽中使用了三种不同的调制方案。我将在本节中简要介绍（snapshot）这三种不同的调制方案。我认为每种情况下都有典型的星座（typical constellation）就足够了。

第一个是GFSK调制，在I/Q坐标（I/Q coordinate）中，你会看到很多点围绕着一个圆的周长（perimetor）。
在这里插入图片描述
以下是1/4π DQPSK的样本星座图。如果你看到右侧的星座，它看起来与8 PSK完全相同，但如果你显示你会注意到的点的轨迹（trajectory），则没有一条路径通过（0,0）点。这对放大器的效率（amplifier effieciency）和电池消耗（battery consumption）都有好处。在正常的QPSK情况下，每个点的绝对坐标携带信息，但在DQPSK中，两个连续点之间的相位差（角度差）携带信息。
在这里插入图片描述

以下是1/4π DQPSK的样本星座图。如果你看到右侧的星座，它看起来与8 PSK完全相同，也与1/4 DQPSK相同，但如果你显示点的轨迹，你会注意到与1/4 DQPSK不同的模式。但在这种情况下，仅仅通过观察星座几乎不可能找到8 PSK和8 DPSK之间的区别。
在这里插入图片描述

三、蓝牙协议（Bluetooth Protocol）

1、总体状态转换（Overal State Transition）
蓝牙通信的总体状态流程（state flow）如下。当你看到这种循环状态图（circular state diagram）时，你最好选择起点和终点之一。否则，你将继续在各状态之间循环，你的眼球将无休止地旋转—：）。

例如，我只是将“待机（Stand by）”作为第一个点，将“Tx/Rx”作为终点，然后沿着红色箭头标记的路径行进。

当你打开蓝牙设备时，它将进入待机模式（stand by mode）并开始“查询（inquire）”。（这就像向所有方向广播一条消息，说“有人在听我说话吗？如果有，请告诉我你的地址”。通过这个过程，设备可能会从多个设备获得响应。如果它找到任何想要连接的设备，它会向设备发送寻呼消息（Paging message），说：“我想连接你”。如果它得到了另一方的接受，双方将通过一个复杂的步骤进入连接模式（connected mode），这将在下一节中描述。

一旦处于连接模式，双方都可以发送（transmit）和接收（receive）数据。但是，如果长时间没有数据可以传输或接收怎么办？如果他们在这段时间里保持清醒，就会浪费大量的电池电量。为了减少电池寿命的浪费，蓝牙支持三个级别的节能模式（energy saving mode），称为嗅探（Sniff）、保持（ Hold）、驻车（Park）。

在嗅探模式（Sniff mode）下，设备仍然保持与微微网（蓝牙设备之间的网络）的同步（synchronization），但Tx/Rx周期会减少。这个周期被称为“嗅探间隔（Sniff Interval）”，这个间隔是可编程的，取决于应用。

在保持模式（Hold mode）下，只有设备中的内部时钟（internal clock）在运行。因此，在这种模式下，数据传输是不可能的，但如果需要数据传输，它可以很快切换到活动模式。此HOLD（保持）模式可以由主控（Master）或从控（Slave）启动。

在驻车模式（Park mode）下，设备仍然保持与微微网（蓝牙设备之间的网络）的同步，但不会发送/接收任何数据。该设备甚至释放其MAC地址，它只是周期性地醒来听主控说话。如果它从Master收到任何请求数据事务的信号，它必须再次进行连接过程。恢复连接需要更长的时间/过程，但它最节省能源。
在这里插入图片描述
2、总体协议序列（Overall Protocol Sequence）

以下是wiki.wireshark.org-Bluetooth1.cap中的一个蓝牙协议日志（log）示例。只需先查看整个序列，并根据您的兴趣深入了解每条消息中的详细参数。

(1) Command Inquiry

Bluetooth HCI H4
[Direction: Sent (0x00)]
HCI Packet Type: HCI Command (0x01)
Bluetooth HCI Command - Inquiry
Command Opcode: Inquiry (0x0401)
0000 01… … … = ogf: Link Control Commands (0x0001)
… …00 0000 0001 = ocf: 0x0001
Parameter Total Length: 5
LAP: 0x9e8b33
Inquiry Length: 16
Num Responses: 0

(2) Command Status (Inquiry)

Bluetooth HCI H4
[Direction: Rcvd (0x01)]
HCI Packet Type: HCI Event (0x04)
Bluetooth HCI Event - Command Status
Event Code: Command Status (0x0f)
Parameter Total Length: 4
Status: Pending (0x00)
Number of Allowed Command Packets: 1
Command Opcode: Inquiry (0x0401)

(3) Inquiry Result

Bluetooth HCI H4
[Direction: Rcvd (0x01)]
HCI Packet Type: HCI Event (0x04)
Bluetooth HCI Event - Inquiry Result
Event Code: Inquiry Result (0x02)
Parameter Total Length: 15
Number of responses: 1
BD_ADDR:000e:6d:072efa (MurataMa_07:2e:fa)
Page Scan Repetition Mode: R1 (0x01)
Page Scan Period Mode: P0 (0x00)
Page Scan Mode: Mandatory Page Scan Mode (0x00)
Class of Device: 0x420204 (Phone - services: Telephony, Networking)
.100 0010 1101 1101 = Clock Offset: 0x42dd

(4) Inquiry Complete

Bluetooth HCI H4
[Direction: Rcvd (0x01)]
HCI Packet Type: HCI Event (0x04)
Bluetooth HCI Event - Inquiry Complete
Event Code: Inquiry Complete (0x01)
Parameter Total Length: 1
Status: Success (0x00)

(5) Remote Name Request

Bluetooth HCI H4
[Direction: Sent (0x00)]
HCI Packet Type: HCI Command (0x01)
Bluetooth HCI Command - Remote Name Request
Command Opcode: Remote Name Request (0x0419)
0000 01… … … = ogf: Link Control Commands (0x0001)
… …00 0001 1001 = ocf: 0x0019
Parameter Total Length: 10
BD_ADDR:000e:6d:072efa (MurataMa_07:2e:fa)
Page Scan Repetition Mode: R1 (0x01)
Page Scan Mode: Mandatory Page Scan Mode (0x00)
.000 0000 0000 0000 = Clock Offset: 0x0000 (0 ms)
0… … … … = Clock_Offset_Valid_Flag: false (0)

(6) Command Status (Remote Name Request)

(7) Remote Name Req Complete

Bluetooth HCI H4
[Direction: Rcvd (0x01)]
HCI Packet Type: HCI Event (0x04)
Bluetooth HCI Event - Remote Name Req Complete
Event Code: Remote Name Req Complete (0x07)
Parameter Total Length: 255
Status: Page Timeout (0x04)
BD_ADDR:000e:6d:072efa (MurataMa_07:2e:fa)
Remote Name:

(8) Connect Request

Bluetooth HCI H4
[Direction: Rcvd (0x01)]
HCI Packet Type: HCI Event (0x04)
Bluetooth HCI Event - Connect Request
Event Code: Connect Request (0x04)
Parameter Total Length: 10
BD_ADDR:000e:6d:072efa (MurataMa_07:2e:fa)
Class of Device: 0x6a0204 (Phone - services: Telephony, Audio, Capturing, Networking)
Link Type: ACL connection (Data Channels) (0x01)

(9) Accept Connection Request

Bluetooth HCI H4
[Direction: Sent (0x00)]
HCI Packet Type: HCI Command (0x01)
Bluetooth HCI Command - Accept Connection Request
Command Opcode: Accept Connection Request (0x0409)
0000 01… … … = ogf: Link Control Commands (0x0001)
… …00 0000 1001 = ocf: 0x0009
Parameter Total Length: 7
BD_ADDR:000e:6d:072efa (MurataMa_07:2e:fa)
Role: Remain Slave (0x01)

(10) Command Status (Accept Connection Request)

(11) PIN Code Request

Bluetooth HCI H4
[Direction: Rcvd (0x01)]
HCI Packet Type: HCI Event (0x04)
Bluetooth HCI Event - PIN Code Request
Event Code: PIN Code Request (0x16)
Parameter Total Length: 6
BD_ADDR:000e:6d:072efa (MurataMa_07:2e:fa)

(12) PIN Code Request Reply

Bluetooth HCI H4
[Direction: Sent (0x00)]
HCI Packet Type: HCI Command (0x01)
Bluetooth HCI Command - PIN Code Request Reply
Command Opcode: PIN Code Request Reply (0x040d)
0000 01… … … = ogf: Link Control Commands (0x0001)
… …00 0000 1101 = ocf: 0x000d
Parameter Total Length: 23
BD_ADDR:000e:6d:072efa (MurataMa_07:2e:fa)
PIN Code Length: 4
PIN Code: 1234

(13) Command Complete (PIN Code Request Reply)

Bluetooth HCI H4
[Direction: Rcvd (0x01)]
HCI Packet Type: HCI Event (0x04)
Bluetooth HCI Event - Command Complete
Event Code: Command Complete (0x0e)
Parameter Total Length: 10
Number of Allowed Command Packets: 1
Command Opcode: PIN Code Request Reply (0x040d)
0000 01… … … = ogf: Link Control Commands (0x0001)
… …00 0000 1101 = ocf: 0x000d
Status: Success (0x00)
BD_ADDR:000e:6d:072efa (MurataMa_07:2e:fa)

(14) Connect Complete

Bluetooth HCI H4
[Direction: Rcvd (0x01)]
HCI Packet Type: HCI Event (0x04)
Bluetooth HCI Event - Connect Complete
Event Code: Connect Complete (0x03)
Parameter Total Length: 11
Status: Authentication Failure (0x05)
Connection Handle: 0x0029
BD_ADDR:000e:6d:072efa (MurataMa_07:2e:fa)
Link Type: ACL connection (Data Channels) (0x01)
Encryption Mode: Encryption Disabled (0x00)

(15) Connect Request

(16) Accept Connection Request

(17) Command Status (Accept Connection Request)

(18) PIN Code Request

(19) PIN Code Request Reply

(20) Command Complete (PIN Code Request Reply)

(21) Link Key Notification

Bluetooth HCI H4
[Direction: Rcvd (0x01)]
HCI Packet Type: HCI Event (0x04)
Bluetooth HCI Event - Link Key Notification
Event Code: Link Key Notification (0x18)
Parameter Total Length: 23
BD_ADDR:000e:6d:072efa (MurataMa_07:2e:fa)
Link Key: ec596f3306bba9e53d7b72de47c1404a
Key Type: Combination Key (0x00)

(22) Connect Complete

Bluetooth HCI H4
[Direction: Rcvd (0x01)]
HCI Packet Type: HCI Event (0x04)
Bluetooth HCI Event - Connect Complete
Event Code: Connect Complete (0x03)
Parameter Total Length: 11
Status: Success (0x00)
Connection Handle: 0x002a
BD_ADDR:000e:6d:072efa (MurataMa_07:2e:fa)
Link Type: ACL connection (Data Channels) (0x01)
Encryption Mode: Encryption only for point-to-point packets (0x01)

(23) Write Link Policy Settings

Bluetooth HCI H4
[Direction: Sent (0x00)]
HCI Packet Type: HCI Command (0x01)
Bluetooth HCI Command - Write Link Policy Settings
Command Opcode: Write Link Policy Settings (0x080d)
0000 10… … … = ogf: Link Policy Commands (0x0002)
… …00 0000 1101 = ocf: 0x000d
Parameter Total Length: 4
Connection Handle: 0x002a
… … … …1 = Enable Master Slave Switch: true (1)
… … … …1. = Enable Hold Mode: true (1)
… … … .1… = Enable Sniff Mode: true (1)
… … … 1… = Enable Park Mode: true (1)

(24) Page Scan Repetition Mode Change

Bluetooth HCI H4
[Direction: Rcvd (0x01)]
HCI Packet Type: HCI Event (0x04)
Bluetooth HCI Event - Page Scan Repetition Mode Change
Event Code: Page Scan Repetition Mode Change (0x20)
Parameter Total Length: 7
BD_ADDR:000e:6d:072efa (MurataMa_07:2e:fa)
Page Scan Repetition Mode: R1 (0x01)

(25) Command Complete (Write Link Policy Settings)

Bluetooth HCI H4
[Direction: Rcvd (0x01)]
HCI Packet Type: HCI Event (0x04)
Bluetooth HCI Event - Command Complete
Event Code: Command Complete (0x0e)
Parameter Total Length: 6
Number of Allowed Command Packets: 1
Command Opcode: Write Link Policy Settings (0x080d)
0000 10… … … = ogf: Link Policy Commands (0x0002)
… …00 0000 1101 = ocf: 0x000d
Status: Success (0x00)
Connection Handle: 0x002a

(26) Change Connection Packet Type

Bluetooth HCI H4
[Direction: Sent (0x00)]
HCI Packet Type: HCI Command (0x01)
Bluetooth HCI Command - Change Connection Packet Type
Command Opcode: Change Connection Packet Type (0x040f)
0000 01… … … = ogf: Link Control Commands (0x0001)
… …00 0000 1111 = ocf: 0x000f
Parameter Total Length: 4
Connection Handle: 0x002a
… … … …0. = Packet Type 2-DH1: false (0)
… … … .0… = Packet Type 3-DH1: false (0)
… … … 1… = Packet Type DM1: true (1)
… … …1 … = Packet Type DH1: true (1)
… …0 … … = Packet Type 2-DH3: false (0)
… …0. … … = Packet Type 3-DH3: false (0)
… .1… … … = Packet Type DM3: true (1)
… 1… … … = Packet Type DH3: true (1)
…0 … … … = Packet Type 2-DH5: false (0)
…0. … … … = Packet Type 3-DH5: false (0)
.1… … … … = Packet Type DM5: true (1)
1… … … … = Packet Type DH5: true (1)

(27) Max Slots Change

Bluetooth HCI H4
[Direction: Rcvd (0x01)]
HCI Packet Type: HCI Event (0x04)
Bluetooth HCI Event - Max Slots Change
Event Code: Max Slots Change (0x1b)
Parameter Total Length: 3
Connection Handle: 0x002a
Maximum Number of Slots: 5

(28) Command Status (Change Connection Packet Type)

(29) Remote Name Request

(30) Connection Packet Type Changed

Bluetooth HCI H4
[Direction: Rcvd (0x01)]
HCI Packet Type: HCI Event (0x04)
Bluetooth HCI Event - Connection Packet Type Changed
Event Code: Connection Packet Type Changed (0x1d)
Parameter Total Length: 5
Status: Success (0x00)
Connection Handle: 0x002a
Usable packet types: DM1 HV1 2-DH1
… … … …0. = ACL Link Type 2-DH1: False (0)
… … … .0… = ACL Link Type 3-DH1: False (0)
… … … 1… = ACL Link Type DM1: True (1)
… … …1 … = ACL Link Type DH1: True (1)
… …0 … … = ACL Link Type 2-DH3: False (0)
… …0. … … = ACL Link Type 3-DH3: False (0)
… .1… … … = ACL Link Type DM3: True (1)
… 1… … … = ACL Link Type DH3: True (1)
…0 … … … = ACL Link Type 2-DH5: False (0)
…0. … … … = ACL Link Type 3-DH5: False (0)
.1… … … … = ACL Link Type DM5: True (1)
1… … … … = ACL Link Type DH5: True (1)
… … …0. … = SCO Link Type HV1: False (0)
… … .0… … = SCO Link Type HV2: False (0)
… … 0… … = SCO Link Type HV3: False (0)

(31) Command Status (Remote Name Request)

(32) Remote Name Request

(33) Command Status (Remote Name Request)

(34) Remote Name Req Complete

Bluetooth HCI H4
[Direction: Rcvd (0x01)]
HCI Packet Type: HCI Event (0x04)
Bluetooth HCI Event - Remote Name Req Complete
Event Code: Remote Name Req Complete (0x07)
Parameter Total Length: 255
Status: Other End Terminated Connection: User Ended Connection (0x13)
BD_ADDR:000e:6d:072efa (MurataMa_07:2e:fa)
Remote Name:

(35) Disconnect Complete

Bluetooth HCI H4
[Direction: Rcvd (0x01)]
HCI Packet Type: HCI Event (0x04)
Bluetooth HCI Event - Disconnect Complete
Event Code: Disconnect Complete (0x05)
Parameter Total Length: 4
Status: Success (0x00)
Connection Handle: 0x002a
Reason: Other End Terminated Connection: User Ended Connection (0x13)