BLE协议栈1-物理层PHY

从应届生开始做ble开发也差不读四个月的时间了，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GAP（Generic Access Profile）和GATT（Generic 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 Interface，HCI）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 Layer，L2CAP）：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 Protocol（ATT）和Security Manager Protocol（SMP）。
• 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 Protocol，SMP）：SMP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 PHY	1Msym/s 方式	无编码	无编码	1Mb/s
LE 2M PHY	2Msym/s 方式	无编码	无编码	2Mb/s
LE Coded PHY	1Msym/s 方式	编码S=8	编码S=8;编码S=2	125kb/s;500kb/s

表中的S=8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GFSK，OFDM有以下优点：

1. 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。
2. 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。
3. 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。