藍(lán)牙技術(shù)在無(wú)線電的基礎(chǔ)上建立可靠的連接技術(shù)

藍(lán)牙設(shè)備能夠在最具挑戰(zhàn)性的環(huán)境中實(shí)現(xiàn)高度可靠的通信。藍(lán)牙技術(shù)每一層的設(shè)計(jì)都考慮了可靠性并采用了多種技術(shù)來(lái)降低干擾概率。
藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟（SIG）的開發(fā)者關(guān)系經(jīng)理Martin Woolley發(fā)布一篇技術(shù)專題文章：了解藍(lán)牙技術(shù)的可靠性。在這篇深入探討藍(lán)牙可靠性的文章中，Woolley解釋了藍(lán)牙技術(shù)如何在無(wú)線電的基礎(chǔ)上建立可靠的連接。
在無(wú)線的基礎(chǔ)上創(chuàng)造可靠性
藍(lán)牙設(shè)備的通信效果非常好，原因在于藍(lán)牙通信系統(tǒng)所使用的無(wú)線電及其協(xié)議等設(shè)計(jì)的諸多方面。
藍(lán)牙技術(shù)是一個(gè)模塊化的系統(tǒng)，而且可以配置不止一種堆棧。
智能手機(jī)和可連接的外圍設(shè)備包含一個(gè)低功耗藍(lán)牙（Bluetooth LE）控制器，其主機(jī)組件支持通用接入配置文件（GAP）和通用屬性配置文件（GATT）以及屬性協(xié)議（ATT）和安全管理協(xié)議（SMP）等協(xié)議。圖3a顯示了這種堆棧配置。

圖3a - 支持GAP/GATT/ATT低功耗藍(lán)牙的堆棧配置
藍(lán)牙m(xù)esh網(wǎng)絡(luò)設(shè)備也包含一個(gè)低功耗藍(lán)牙控制器，而主機(jī)部分將包含藍(lán)牙m(xù)esh網(wǎng)絡(luò)協(xié)議堆棧的各層。圖3b描繪的是一個(gè)藍(lán)牙m(xù)esh堆棧。

圖3b - 支持藍(lán)牙m(xù)esh網(wǎng)絡(luò)的堆棧配置
無(wú)論堆棧配置如何，每一層都有明確的職責(zé)和向上下相鄰層傳遞數(shù)據(jù)的方法。藍(lán)牙技術(shù)中用于減輕或降低特定類型潛在可靠性問(wèn)題概率的特征存在于堆棧的各個(gè)部分中。有些此類機(jī)制適用于藍(lán)牙技術(shù)的所有可能用途，有些則只適用于特定的情景。
一般適用特征和緩解技術(shù)
我們先從藍(lán)牙技術(shù)提升可靠性的特征開始講解，這些特征普遍適用于所有情景。圖4所示的是一個(gè)藍(lán)牙空中接口數(shù)據(jù)包（air interface packet）示例。

圖4 – 包含ATT PDU的藍(lán)牙數(shù)據(jù)包示例
藍(lán)牙調(diào)制方案
藍(lán)牙技術(shù)的可靠性始于最基本的問(wèn)題 —— 如何使用無(wú)線電作為數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的載體。在藍(lán)牙協(xié)議堆棧中，這些問(wèn)題在物理（PHY）層處理。
物理層必須處理的主要問(wèn)題之一是能夠識(shí)別藍(lán)牙無(wú)線電傳輸并正確提取信號(hào)中的編碼數(shù)據(jù)。這絕對(duì)是實(shí)現(xiàn)可靠性過(guò)程中最基本的一步。
無(wú)線電是一種模擬物理現(xiàn)象。物理學(xué)家通常用波來(lái)模擬無(wú)線電信號(hào)。無(wú)線電波擁有電磁能量，并具有振幅、波長(zhǎng)和頻率等一系列基本特性（請(qǐng)參見圖5和圖6）。如之前所述，利用波的基本特性以某種方式編碼信息的策略稱為調(diào)制方案。目前有很多調(diào)制方案。有的利用信號(hào)的振幅變化；有的利用無(wú)線電相位進(jìn)行信息編碼，有的則利用頻率變化。
當(dāng)可靠性成為無(wú)線電通信系統(tǒng)的一個(gè)重要設(shè)計(jì)目標(biāo)時(shí)，就能發(fā)現(xiàn)有些調(diào)制方案優(yōu)于其他方案?；谡穹恼{(diào)制方案在一定程度上容易受到噪聲的干擾，而基于頻率的方案在這方面則不那么容易受到干擾。

圖5 - 基本波屬性

圖6 - 頻率
藍(lán)牙技術(shù)采用一種特殊的二進(jìn)制頻移鍵控調(diào)制方案，這被稱為高斯頻移鍵控（Gaussian Frequency Shift Keying，GFSK）。之所以稱之為二進(jìn)制調(diào)制方案，是因?yàn)槊總€(gè)符號(hào)只代表一個(gè)數(shù)位，其值為0或1。
二進(jìn)制頻移頻鍵控通過(guò)選擇一個(gè)中心頻率（即載體），然后根據(jù)給定的頻率偏差將其上移以表示1，或根據(jù)該頻率偏差下移以表示0，從而對(duì)數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行編碼。藍(lán)牙核心規(guī)格中規(guī)定了允許的最小頻率偏差大小，同時(shí)后者取決于所選擇的符號(hào)速率。在低功耗藍(lán)牙中，符號(hào)速率為每秒1或2個(gè)百萬(wàn)符號(hào)（Msym/s）。1Msym/s符號(hào)速率的規(guī)定最小頻率偏差為185kHz，較快符號(hào)速率的最小頻率偏差為370kHz。應(yīng)仔細(xì)選擇這些數(shù)值，以幫助可靠識(shí)別在信號(hào)中編碼的1和0。
根據(jù)定義，在頻移鍵控（Frequency shift keying，F(xiàn)SK）調(diào)制方案中，每當(dāng)符號(hào)值發(fā)生變化時(shí)，頻率都會(huì)發(fā)生變化。頻率的突發(fā)瞬時(shí)變化會(huì)產(chǎn)生噪音，而噪音會(huì)造成干擾。此外在實(shí)際電路中可能出現(xiàn)信號(hào)意外溢出至其他頻率的頻譜泄漏，使接收器的解碼任務(wù)變得更加困難。
藍(lán)牙技術(shù)通過(guò)使用高級(jí)FSK調(diào)制方案GFSK來(lái)降低干擾。GFSK修改了標(biāo)準(zhǔn)的FSK方法，加入了一個(gè)高斯濾波器，使頻率轉(zhuǎn)換變得平滑，因此噪聲更小、頻譜寬度更窄，減少了對(duì)其他頻率的干擾。
前導(dǎo)碼
所有低功耗藍(lán)牙數(shù)據(jù)包中的第一個(gè)字段被稱為前導(dǎo)碼（preamble）。前導(dǎo)碼長(zhǎng)8位，包含一個(gè)二進(jìn)制1和0的交替模式。其用途是為接收機(jī)提供可以用來(lái)尋找剩余數(shù)據(jù)包中用于編碼數(shù)字1和0的頻率的材料。它還被優(yōu)化信號(hào)強(qiáng)度的無(wú)線電自動(dòng)增益控制所使用。
準(zhǔn)確確定信號(hào)中使用的頻率并將無(wú)線電的參數(shù)設(shè)置到最佳狀態(tài)是保證可靠接收數(shù)據(jù)包的第一步。
訪問(wèn)地址
當(dāng)藍(lán)牙控制器正在監(jiān)聽某個(gè)通道的數(shù)據(jù)時(shí)，它將接收該通道定義的頻率范圍內(nèi)的所有無(wú)線電信號(hào)。所接收的信號(hào)可能是：
· 發(fā)送到該設(shè)備的藍(lán)牙數(shù)據(jù)包
· 原本未計(jì)劃發(fā)送給該設(shè)備的藍(lán)牙數(shù)據(jù)包
· 與其他無(wú)線通信技術(shù)有關(guān)的數(shù)據(jù)包（在同一ISM頻段內(nèi)運(yùn)行并使用當(dāng)前正在被掃描的藍(lán)牙無(wú)線電通道的頻率）
· 背景噪音
藍(lán)牙控制器必須能夠區(qū)分這些信號(hào)，并準(zhǔn)確選出對(duì)發(fā)送到該設(shè)備的藍(lán)牙數(shù)據(jù)包進(jìn)行編碼的信號(hào)。任何其他信號(hào)必須被忽略。
所有藍(lán)牙數(shù)據(jù)包都包含一個(gè)32位訪問(wèn)地址（access address），該地址可以幫助在最短的時(shí)間內(nèi)迅速挑選出來(lái)是藍(lán)牙的信號(hào)，其他信號(hào)可以立即被丟棄。
訪問(wèn)地址有兩種類型。廣播訪問(wèn)地址（advertising access address）為固定值0x8E89BED6，大多數(shù)廣播包都使用這個(gè)地址。之所以選擇這個(gè)數(shù)值，是因?yàn)樗哂辛己玫南嚓P(guān)性。相關(guān)性是用于識(shí)別信號(hào)中特定模式的數(shù)學(xué)程序。
在兩個(gè)相連設(shè)備通信過(guò)程中交換的數(shù)據(jù)包包含一個(gè)訪問(wèn)地址，該地址包含一個(gè)由鏈路層分配的值，該值是所有與該連接相關(guān)的數(shù)據(jù)包的唯一識(shí)別符。這些生成的訪問(wèn)地址值大部分都是隨機(jī)的，但受制于提高訪問(wèn)地址識(shí)別可靠性的附加規(guī)則。
與定期廣播鏈（periodic advertising）和同步廣播串流（Broadcast Isochronous Streams，BIS）有關(guān)的數(shù)據(jù)包都有一個(gè)唯一的訪問(wèn)地址。通過(guò)訪問(wèn)地址可以選擇與接收設(shè)備相關(guān)的信號(hào)。藍(lán)牙協(xié)議堆棧的鏈接層負(fù)責(zé)檢查訪問(wèn)地址。
由于訪問(wèn)地址的長(zhǎng)度為32位，將隨機(jī)背景電磁噪聲誤認(rèn)為藍(lán)牙信號(hào)的概率極小。在極少數(shù)的情況下，隨機(jī)背景噪聲模式與接收器相關(guān)訪問(wèn)地址會(huì)匹配，那么就將通過(guò)進(jìn)一步的位流處理迅速確定它不是一個(gè)有效的藍(lán)牙數(shù)據(jù)包。
僅快速選擇相關(guān)信號(hào)并丟棄其他信號(hào)是藍(lán)牙接收器運(yùn)行的另一個(gè)關(guān)鍵步驟，有助于實(shí)現(xiàn)可靠的通信。
循環(huán)冗余檢查
所有藍(lán)牙數(shù)據(jù)包都包含一個(gè)循環(huán)冗余檢查（Cyclic Redundancy Check，CRC）字段，該字段出現(xiàn)在數(shù)據(jù)包的末端或附近。CRC是一種常用機(jī)制，用于檢測(cè)由于沖突等問(wèn)題導(dǎo)致傳輸數(shù)據(jù)被無(wú)意改變的情況。
當(dāng)鏈路層制定一個(gè)新的數(shù)據(jù)包時(shí)，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)包中的其他位應(yīng)用CRC算法計(jì)算出一個(gè)CRC值。然后將結(jié)果的24位值加到數(shù)據(jù)包中。在接收數(shù)據(jù)包時(shí)，接收設(shè)備中的鏈路層重新計(jì)算CRC，并將結(jié)果與接收數(shù)據(jù)包中包含的CRC值進(jìn)行比較。如果兩個(gè)值不一樣，則斷定傳輸數(shù)據(jù)包中的一個(gè)或多個(gè)數(shù)位被改變，并且數(shù)據(jù)包被丟棄。
應(yīng)該注意的是，CRC并不是一種安全機(jī)制，這是因?yàn)閿?shù)據(jù)包可能被故意改變，而且CRC可能被輕易地重新計(jì)算。
圖7 – 帶有MIC字段的加密低功耗藍(lán)牙數(shù)據(jù)包
圖7 – 帶有MIC字段的加密低功耗藍(lán)牙數(shù)據(jù)包
信息完整性代碼
低功耗藍(lán)牙數(shù)據(jù)包可以被加密。所有的加密數(shù)據(jù)包都包括一個(gè)稱為消息完整性檢查（Message Integrity Check，MIC）的字段。MIC其實(shí)是一種信息驗(yàn)證碼（Message Authentication Code，MAC），但由于MAC的縮寫在通信領(lǐng)域還有其他用途，所以在藍(lán)牙規(guī)格中使用的是MIC。
MIC本身并不是一種可靠性功能。它是一種安全功能，用于檢測(cè)故意篡改數(shù)據(jù)包內(nèi)容的企圖。但由于在可靠性的非正式定義中，所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)應(yīng)是被接收的數(shù)據(jù)，并且我們承認(rèn)可能會(huì)發(fā)生無(wú)意或故意的更改，因此考慮到完整性，我們把它加入到其中。
畢竟，不安全的通信怎么可能是可靠的通信呢？
擴(kuò)頻率（Spread Spectrum）
藍(lán)牙技術(shù)使用2.4GHz ISM無(wú)線電頻段。2.4 GHz ISM并未定義一個(gè)單一的頻率，而是定義了一個(gè)頻率范圍，在這里是從2400 MHz開始，到2483.5 MHz結(jié)束。當(dāng)與低功耗藍(lán)牙一起使用時(shí)，這個(gè)頻率范圍將被劃分為40個(gè)通道，每個(gè)通道寬2MHz。藍(lán)牙BR/EDR將其分為80個(gè)1MHz寬的通道。
每個(gè)通道都有編號(hào)，第一個(gè)是通道0。通道零的中心頻率為2402 MHz，劃定通道零的最低頻率與ISM 2.4 GHz頻段的起始頻率之間留有1 MHz的空隙。通道39的中心頻率為2480MHz，與ISM 2.4GHz頻段的末端留有2.5MHz的空隙。
圖8描述的是將ISM頻段劃分為低功耗藍(lán)牙所使用的無(wú)線電通道。請(qǐng)注意，通道號(hào)（channel number）按照0到39的順序遞增，而通道指數(shù)（channel index）通過(guò)一種略微不同的方式分配至ISM通道集。

圖8 – ISM 2.4 GHz頻段內(nèi)的低功耗藍(lán)牙通道
通過(guò)藍(lán)牙技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信需要使用一個(gè)以上的無(wú)線電通道。多個(gè)無(wú)線電通道的使用使藍(lán)牙通信在繁忙的無(wú)線電環(huán)境中具有很高的可靠性。在這種環(huán)境中很可能發(fā)生沖突和干擾。
這種使用多個(gè)頻率的方法被稱為擴(kuò)頻技術(shù)。藍(lán)牙也屬于一種擴(kuò)頻無(wú)線通信技術(shù)。擴(kuò)頻技術(shù)在不同情況下的應(yīng)用細(xì)節(jié)各不相同。
解決共存和合用問(wèn)題
一些不同的無(wú)線電技術(shù)會(huì)同時(shí)使用同一無(wú)線電頻段，這會(huì)帶來(lái)潛在的挑戰(zhàn)。一種技術(shù)可能會(huì)干擾另一種技術(shù)的傳輸，尤其是發(fā)生沖突（collision）。此類問(wèn)題統(tǒng)稱為共存（coexistence）問(wèn)題。藍(lán)牙技術(shù)、Wi-Fi、無(wú)繩DECT電話甚至微波爐都在2.4 GHz ISM頻段工作，因此這些技術(shù)和設(shè)備類型之間可能存在共存問(wèn)題。
藍(lán)牙主要通過(guò)使用擴(kuò)頻技術(shù)來(lái)解決共存問(wèn)題。在連接兩個(gè)設(shè)備時(shí)，可通過(guò)讓藍(lán)牙在該場(chǎng)景中使用擴(kuò)頻技術(shù)這一特殊方式實(shí)現(xiàn)更高的可靠性。
合用（Collocation）指在同一設(shè)備中存在一個(gè)以上的無(wú)線電，而且每個(gè)無(wú)線電支持不同的通信技術(shù)或技術(shù)組。同一設(shè)備中的不同無(wú)線電設(shè)備之間存在干擾范圍。長(zhǎng)期演進(jìn)（Long-Term Evolution，LTE）無(wú)線電用于4G移動(dòng)電話系統(tǒng)，可以在與2.4 GHz ISM頻段相鄰的頻段中工作，這就會(huì)產(chǎn)生潛在的問(wèn)題，比如在一個(gè)無(wú)線電發(fā)送時(shí)阻止另一個(gè)無(wú)線電接收。大多數(shù)合用問(wèn)題不屬于藍(lán)牙核心規(guī)格本身范疇，但規(guī)格會(huì)向?qū)嵤┱咛峁┙ㄗh。緩解措施包括使用濾波器減少無(wú)線電之間的干擾和建議實(shí)施者對(duì)無(wú)線電時(shí)間段進(jìn)行排程。
無(wú)線電時(shí)間段排程是一個(gè)復(fù)雜的問(wèn)題，涉及到確定何時(shí)可以使用和不可以使用無(wú)線電。排程的一些方面屬于藍(lán)牙核心規(guī)格范疇。與其他無(wú)線電搭配所產(chǎn)生的問(wèn)題以及其他考慮因素和限制因素，如操作系統(tǒng)可能施加的限制因素等，則不屬于這一范疇。已定義一個(gè)被稱為槽位可用性掩碼（Slot Availability Masks，SAM）的特征，它允許兩臺(tái)藍(lán)牙設(shè)備互相提供關(guān)于哪些時(shí)間段可以使用的信息。根據(jù)這些信息，可以優(yōu)化每個(gè)設(shè)備的排程，避免發(fā)生合用干擾的時(shí)間段。
低功耗藍(lán)牙編碼的物理層
低功耗藍(lán)牙提供三種不同的無(wú)線電使用方式。這三種方案是物理層的一部分，每一種都以縮寫PHY來(lái)表示。這三種定義的物理層是：
· LE 1M – 1 Msym/s符號(hào)速率
· LE 2M – 2 Msym/s符號(hào)速率
· LE Coded – 1 Msym/s符號(hào)速率，帶前向糾錯(cuò)（FEC）
LE Coded PHY增加了接收器的靈敏度，因此在接收器與發(fā)射器的距離比LE 1M PHY更大時(shí)才會(huì)出現(xiàn)0.1%的誤碼率。在使用LE Coded時(shí)，參數(shù)S被設(shè)置為2或8。當(dāng)S=2時(shí)，LE Coded的可靠通信范圍大約增加一倍。當(dāng)S=8時(shí)，范圍約為四倍。
在不增加傳輸功率的情況下，LE Coded PHY通過(guò)在每個(gè)數(shù)據(jù)包中加入額外的數(shù)據(jù)來(lái)實(shí)現(xiàn)更遠(yuǎn)距離的可靠通信，這使得錯(cuò)誤既能被檢測(cè)到，又能通過(guò)一種被稱為前向糾錯(cuò)（Forward Error Correction）的數(shù)學(xué)技術(shù)進(jìn)行糾正。但伴隨范圍增加的是數(shù)據(jù)速率的降低，S=2的數(shù)據(jù)速率為500 Kb/s，S=8的數(shù)據(jù)速率為125 Kb/s。
LE Coded PHY的主要用途是增加范圍，但它是通過(guò)降低較低信號(hào)強(qiáng)度下的誤碼率來(lái)實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，因此較長(zhǎng)距離的通信也有足夠的可靠性。