【Silicon Labs BG22-EK4108A 蓝牙开发评测】蓝牙协议基础

darkblue086

【Silicon Labs BG22-EK4108A 蓝牙开发评测】蓝牙协议基础 [复制链接]

 

1. 前言

自1994年由爱立信推出至今，蓝牙技术已经走过了20个岁月。从最初的Bluetooth V1.0，到Bluetooth V5.0（最新的为V5.2，2020年发布），经历了十余个版本的修订后，发展为当前的状况。

本文主要基于蓝牙5.0规范，描述蓝牙技术的基本概念。这个官方文档有2800页，分为4卷，其中第一卷最简单，是个整体目录，只有80多页，剩下的都是正文和附件，想要翻翻看看实在是太过困难。本文简单介绍一下蓝牙的历史，试图让更多人在开发板点灯之外能获得更多的信息。

2. 蓝牙技术的概述

蓝牙技术最初由爱立信创制。技术始于爱立信公司的1994方案，它是研究在移动电话和其他配件间进行低功耗、低成本无线通信连接的方法。发明者希望为设备间的通讯创造一组统一规则（标准化协议），以解决用户间互不兼容的移动电子设备。1997年前爱立信公司以此概念接触了移动设备制造商，讨论其项目合作发展，结果获得支持。

1998年5月20日，索尼爱立信、国际商业机器、英特尔、诺基亚及东芝公司等业界龙头创立“特别兴趣小组”（Special Interest Group，SIG），即蓝牙技术联盟的前身，目标是开发一个成本低、效益高、可以在短距离范围内随意无线连接的蓝牙技术标准。

1998年时蓝牙推出0.7规格，支持Baseband与LMP（Link Manager Protocol）通讯协定两部分。1999年推出先后0.8版，0.9版、1.0 Draft版，1.0a版、1.0B版。1.0 Draft版，完成SDP（Service Discovery Protocol）协定、TCS（Telephony Control Specification）协定。1999年7月26日正式公布1.0版，确定使用2.4GHz频谱，最高资料传输速度1Mbps，同时开始了大规模宣传。和当时流行的红外线技术相比，蓝牙有着更高的传输速度，而且不需要像红外线那样进行接口对接口的连接，所有蓝牙设备基本上只要在有效通讯范围内使用，就可以进行随时连接。

当1.0规格推出以后，蓝牙并未立即受到广泛的应用，除了当时对应蓝牙功能的电子设备种类少，蓝牙设备也十分昂贵。2001年的1.1版正式列入IEEE标准，Bluetooth 1.1即为IEEE 802.15.1。同年，SIG成员公司超过2000家。过了几年之后，采用蓝牙技术的电子设备如雨后春笋般增加，售价也大幅下降。为了扩宽蓝牙的应用层面和传输速度，SIG先后推出了1.2、2.0版，以及其他附加新功能，例如EDR（Enhanced Data Rate，配合2.0的技术标准，将最大传输速度提高到3Mbps）、A2DP（Advanced Audio Distribution Profile，一个控音轨分配技术，主要应用于立体声耳机）、AVRCP（A/V Remote Control Profile）等。Bluetooth 2.0将传输率提升至2Mbps、3Mbps，远大于1.x版的1Mbps（实际约723.2kbps）。

2.1 两种蓝牙技术：Basic Rate（BR）和Low Energy（LE）

蓝牙协议包括两种技术：Basic Rate（简称BR）和Low Energy（简称LE）。这两种技术，都包括搜索（discovery）管理、连接（connection）管理等机制，但它们是不能互通的！蓝牙4.0中提出了“低功耗蓝牙”、“传统蓝牙”和“高速蓝牙”三种模式。其中：高速蓝牙EDR主攻数据交换与传输；传统蓝牙BR则以信息沟通、设备连接为重点；低功耗蓝牙LE顾名思义，以不需占用太多带宽的设备连接为主。前身其实是NOKIA开发的Wibree技术，本是作为一项专为移动设备开发的极低功耗的移动无线通信技术，在被SIG接纳并规范化之后重命名为Bluetooth Low Energy（俗称BLE）。这三种协议规范还能够互相组合搭配、从而实现更广泛的应用模式，此外，Bluetooth 4.0还把蓝牙的传输距离提升到100米以上（低功耗模式条件下）。

蓝牙5.0在2016年6月发布。在有效传输距离上将是4.2LE版本的4倍，传输速度将是4.2LE版本的2倍（速度上限为24Mbps）。蓝牙5.0还支持室内定位导航功能（结合WiFi可以实现精度小于1米的室内定位），允许无需配对接受信标的数据（比如广告、Beacon、位置信息等，传输率提高了8倍），针对物联网进行了很多底层优化。

这种不互通有多麻烦，请看协议里的组合搭配，BR和EDR相辅相成，LE和AMP各干各的，AMP可以有多个。我猜外国人的语言一定不好，否则这么简单的事情为什么要画这么多图来表示。

2.1.1 Basic Rate(BR)

Basic Rate是正宗的蓝牙技术，可以包括可选（optional）的EDR（Enhanced Data Rate）技术，以及交替使用的（Alternate）的MAC（Media Access Control）层和PHY层扩展（简称AMP）。说着真拗口，不过通过背后的应用场景，就好理解了：

蓝牙诞生之初，使用的是BR技术，此时蓝牙的理论传输速率，只能达到721.2Kbps。在那个年代，56Kbps的Modem就是高大上了，这个速度可以说是惊为天人了啊！但是科技变化太快了，BR技术转眼就过时了。那怎么办呢？缝缝补补一下，增强速度呗，Enhanced Data Rate就出现了。

使用EDR技术的蓝牙，理论速率可以达到2.1Mbps。这一次的升级换代，还算优雅，因为没有改变任何的硬件架构、软件架构和使用方式上的改变。

也许你也猜到了，EDR又落伍了，看看人家WIFI（WLAN），几十Mbps，上百Mbps，咱们才2.1Mbps，也太寒酸了吧！那怎么办呢？蓝牙组织想了个坏主意：哎，WIFI！把你的物理层和MAC层借我用用呗！这就是AMP（Alternate MAC and PHY layer extension），可以达到54Mbps。

2.1.2 Low Energy（LE）

上面所讲的BR技术的进化路线，就是传输速率的加快、加快、再加快。但能量是守恒的，你想传的更快，代价就是消耗更多的能量。而有很多的应用场景，并不关心传输速率，反而非常关心功耗。这就是Bluetooth LE（称作蓝牙低功耗）产生的背景。

LE技术相比BR技术，差异非常大，或者说就是两种不同的技术，凑巧都加一个“蓝牙”的前缀而已。后面我们会详细的解释这种差异，以及LE的行为特征。

 

 

darkblue086

更多内容，会继续在本贴更新，欢迎关注

内容较长，码字不易，慢慢更新

soso

期待期待 这个是从头讲起呀