舒城县建设局网站,平面设计找素材的网站,8大营销工具,网站建设阶段的推广从应届生开始做ble开发也差不读四个月的时间了#xff0c;一直在在做上层的应用#xff0c;对蓝牙协议栈没有过多的时间去了解#xff0c;对整体的大方向概念一直是模糊的状态#xff0c;在开发时也因此遇到了许多问题#xff0c;趁有空去收集了一下资料来完成了本次专栏一直在在做上层的应用对蓝牙协议栈没有过多的时间去了解对整体的大方向概念一直是模糊的状态在开发时也因此遇到了许多问题趁有空去收集了一下资料来完成了本次专栏来增加自己对ble大框架的了解当然也仅仅是对协议栈做一个大概的介绍太复杂细节的东西还需要自己未来去悟了。 0. 协议栈总体介绍
如下图ble协议栈大体可以主要分为host和controller两个层次其中
主机层Host位于BLE协议栈的上层通常运行在主机设备上如智能手机、电脑或其他嵌入式系统。它提供与应用层和用户接口的交互并处理高层协议的逻辑如GAPGeneric Access Profile和GATTGeneric Attribute Profile。主机层负责管理BLE设备的连接、数据传输、设备发现、安全性等。控制器层Controller位于BLE协议栈的下层通常是嵌入在BLE芯片中的硬件模块。控制器层负责处理与无线传输相关的物理层和链路层细节如频率管理、调制解调、数据包解析等。它与主机层之间通过主机控制器接口Host Controller InterfaceHCI进行通信。主机层和控制器层之间的分界主要是基于功能和实现的考虑。主机层关注的是高层的协议逻辑和应用接口而控制器层则负责处理底层的物理层和链路层操作。通过将主机层和控制器层分离可以实现模块化的设计和开发使得主机和控制器可以独立进行优化和升级。主机层和控制器层之间的通信是通过主机控制器接口HCI实现的。HCI定义了主机层与控制器层之间的命令和事件传输的格式和协议。主机通过HCI发送命令给控制器控制器执行相应的操作并通过HCI向主机发送事件和数据。 但我们又可以看到host和controller又可以细分为多个层次其中
物理层Physical Layer物理层是BLE协议栈的最底层负责处理与无线传输相关的物理层面的细节。它定义了无线通信的频率、调制方式、传输速率以及功耗管理等。物理层的主要作用是将数字数据转换为无线信号并实现与硬件设备的接口。链路层Link Layer链路层位于协议栈的第二层负责建立和管理BLE连接并提供数据传输的可靠性和安全性。它定义了BLE的数据包格式、连接管理、错误检测与纠正等功能。链路层还处理BLE设备之间的广播和扫描过程。主机控制器层Host Controller Layer主机控制器层位于协议栈的第三层负责与物理层和链路层进行交互并提供对上层协议的接口。它在主机如智能手机、电脑和BLE设备之间充当中间层处理命令和数据的传输、设备发现、连接管理以及安全性等。逻辑链路控制器层Logical Link Control and Adaptation Protocol LayerL2CAP逻辑链路控制器层位于协议栈的第四层提供数据通信的逻辑通道。它负责分段和重组数据包并处理数据流控制、流量管理和服务质量QoS等功能。L2CAP层还支持多个上层协议如Attribute ProtocolATT和Security Manager ProtocolSMP。属性协议Attribute Protocol属性协议是BLE协议栈中的一个子协议用于定义BLE设备之间的数据交换格式和规范。它支持设备之间的读取、写入和通知等操作用于实现BLE设备之间的数据传输和交互。安全管理协议Security Manager ProtocolSMPSMP负责处理BLE连接的安全性。它定义了BLE设备之间的配对、加密和认证过程以确保通信的安全性和隐私性。 本专栏是对每个层相关内容的讲解。 1. 物理层Physical Layer简介 物理层Physical Layer是BLE协议栈最底层它规定了BLE通信的基础射频参数包括信号频率、调制方案等。BLE工作频率是2.4GHz它使用GFSK频率调制并使用跳频机制来解决频道拥挤问题。 BLE 5的物理层有三种实现方案分别是1M Sym/s的无编码物理层、2M Sym/s的无编码物理层和1M Sym/s的编码物理层。其中1M Sym/s的无编码物理层与BLE v4系列协议的物理层兼容另外两种物理层则分别扩展了通信速率和通信距离。 2. 频段和跳频
大多数无线通信的频段需要申请授权才可以使用不同地区开辟了少量免授权频段只要产品满足当地无线电规范即可免授权使用。下图展示了全球免授权的频段及其分布 从上图可以发现
图中2.4GHz的频段很强势覆盖了整个地图是专为工业Industrial、科学Scientific和医学Medical三个机构使用称为ISM频段。全球范围都可以免授权使用ISM频段。BLE即工作在2.4GHz频段。2.4GHz频段信号有明显的优缺点优点是免费、技术成熟缺点是频段拥挤、信号传播特性差、遇水衰减。目前除了蓝牙信号外WIFI、ZigBee、无线键盘、无线玩具甚至微波炉都工作在这个频段当一个空间内同时运行着多个无线设备时频带占用情况如下图 其中绿色的脉冲为BLE信号红色信号分别是WIFI、微波炉和无线设备它们形成了干扰噪声。 BLE工作在2.400GHz – 2.480GHz频率区间并将这个区间均匀分为40个频道相邻频道间隔2MHz。在不引起误解的情况下频道也称为信道40个信道的频率和分布如下图 3. 调制
3.1 调制方式
物理层定义了两种调制方式。
一种方案采用高斯频移键控GFSK具有1MSym/s的符号速率。第二种方式是与第一种相似Similar但是具有2MSym/s的符号速率。
第一种方式又分成两种类型
LE 1M Uncoded PHY。该方式的比特率为1Mb/s它是BLE v4版本协议保持兼容。LE 1M Coded PHY。该方式对报文进行编码使接收端收到的报文具有前向纠正的能力在相同误码率条件下能够显著降低误码重传次数从而提高通信速率。 如果采用8符号编码比特率为125kb/s如果采用2符号编码比特率为500kb/s。 LE 1M Uncoded PHY是BLE协议强制要求实现的物理层而LE 1M Coded PHY则是可选方案。 这两种实现方式符号速率都是1MSym/s。 符号速率中的“符号”是指单次采样所得到的信息这个信息可能包含多个比特也可能多个信息等效于一个比特。比如一个电压幅度调制系统中用5V表示11b 2V表示10b -2V表示01b -5V表示00b那么采样一次电压可以获得两个比特信息此时比特率是符号速率的两倍。在LE 1M Coded PHY机制中用8个符号表示1个比特此时比特率是符号速率的1/8。 第二种物理层实现方式为
LE 2M Uncoded PHY。该方案的比特率为2Mb/s是可选的实现方式。
官方文档使用LE 1M PHY、LE Coded PHY、LE 2M PHY来表示以上三种不同的物理层实现方式
物理层调制方式编码方案 报头部分编码方案 有效载荷比特率LE 1M PHY1Msym/s 方式无编码无编码1Mb/sLE 2M PHY2Msym/s 方式无编码无编码2Mb/sLE Coded PHY1Msym/s 方式编码S8编码S8;编码S2125kb/s;500kb/s
表中的S8表示8个符号编码成1个比特。
3.2 GFSK
频率调制是将低频数据信号加载到高频载波上数据的变化反映为调制波频率的疏密变化如下图所示 数字化的信号仅有0、1变化在调制时可以定义载波频率正向偏移视为1负向偏移视为0。这种调制方式称为“频移键控FSK”。数字信号发生0/1变换时会产生大量噪声引入高斯滤波器能够延展0/1变换时间从而降低噪声。这种做法称为“高斯频移键控GFSK”。
GFSK技术成熟实现简单适合低功耗BLE的需求。
BLE协议规定中心频率正向偏移大于等于185kHz视为比特1 负向偏移大于等于185kHz视为比特0。如果选择2402MHz作为中心频率比特1的频率应为2402.185MHz 比特0的频率应为2401.815MHz。
星闪技术调制 插一个题外话。我们也可以对比一下最近很火的星闪技术使用的调制OFDM技术OFDM使用正交子载波来传输数据。将数据分成多个低速子载波这些子载波之间正交垂直以避免干扰。每个子载波可以使用不同的调制方式例如QPSK、16-QAM或64-QAM。 相较于GFSKOFDM有以下优点
频谱效率高OFDM能够将频谱划分为多个子载波每个子载波可以以较高的符号速率传输数据。这种频域划分和高速传输使得OFDM能够实现高频谱效率充分利用可用的频带资源。抗多径衰落OFDM对多径衰落信号在传播路径上经历多个反射和折射具有较好的抗干扰性能。由于OFDM将数据分散在多个子载波上即使某些子载波受到多径干扰其他子载波仍然可以正常工作从而减少了信号质量的下降。高容量支持OFDM可以在不同的子载波上使用不同的调制方式例如QPSK、16-QAM或64-QAM以适应不同的信道条件和要求。这使得OFDM能够支持高容量的数据传输满足现代高速通信的需求。
