低功耗蓝牙协议栈

1、简介

BLE,bloothlowpower，即蓝牙低功耗技术。

该技术具有低成本、短距离、可互操作的特性，工作在免许可的2.4GHzISM射频频段。

蓝牙系统核心包括射频收发器，基带和协议栈。核心系统协议包括射频(RF)协议、链路控制(LC)协议、链路管理(LM)协议、逻辑链路的控制和适配(L2CAP)协议。蓝牙核心系统最底三层是射频，链路控制，链路管理协议，通常会把这三者归为一个子系统——蓝牙控制器。把往上的其他层一起称为为蓝牙主机。在蓝牙控制器和蓝牙主机之间实现通信通常需要有主机-控制器接口，HosttoControllerInterface(HCI)。蓝牙系统的具体应用apps，就是建立在蓝牙主机之上。而host部分由蓝牙软件厂商开发和维护，control部分由蓝牙的硬件厂商提供，两部分通过hci(主机控制器接口)进行通信和数据交互。

2、组成

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（PhysicalLayer）

链路层（LinkLayer）

主机控制接口层（HostControllerInterface）

从应用层到物理层一共包含8层

主机部分包括：

L2CAP逻辑链路控制及自适应协议层（LogicalLinkControlandAdaptationProtocol）

安全管理层（SecurityManager）

ATT属性协议层（AttributeProtocol）

GAP通用访问配置文件层（GenericAccessProfile）

GATT通用属性配置文件层（GenericAttributeProfile）

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。

从应用层到物理层一共包含8层

1、物理层（PhysicalLayer）

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2402MHz（37），2426MHz（38），2480MHz（39），你没看错！就是2402MHz（37），2426MHz（38），2480MHz（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+10dBm（10mW），最小发射功率为-20dBm（0.01mW）。接收机灵敏度要求优于-70dBm（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0dBm，接收机灵敏度为-70dBm，通信距离约为30米。

当发射功率为+10dBm，接收机灵敏度为-90dBm，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（LinkLayer）

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（HostControllerInterface）

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（LogicalLinkControlandAdaptationProtocol）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（SecurityManager）

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（AttributeProtocol）

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（GenericAccessProfile）

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（GenericAttributeProfile）

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）。