蓝牙通讯入门必知
📌 1. 蓝牙技术与双模概述
蓝牙最初是为替代有线数据线而设计的短距离无线通信技术，经历了多个版本的演进。
- 经典蓝牙（BR/EDR）：主要用于大数据量、低延时的应用，如音频、视频传输、外设连接（键盘、鼠标、耳机等）。
- 低功耗蓝牙（BLE）：自蓝牙4.0起引入，专注于低功耗、短数据传输、适合物联网、可穿戴设备等应用。
在蓝牙5.3中，很多芯片都采用了双模设计，即在同一芯片内集成了经典蓝牙与BLE两套协议栈，使得设备既能实现高带宽的传统数据传输，又能在低功耗场景下工作。这种双模设计大大提高了应用的灵活性和兼容性。
以下是从蓝牙1.0到蓝牙5.4各版本的功能及更新内容的对比表格：
| 蓝牙版本 | 发布年份 | 最大传输速度 | 最大范围 | 主要更新内容 |
|---|---|---|---|---|
| 蓝牙1.0 | 1999 | 1 Mbps | 10米 | 奠定蓝牙技术基础，实现基本的无线连接。 |
| 蓝牙1.1 | 2001 | 1 Mbps | 10米 | 修复蓝牙1.0的兼容性问题，提高连接稳定性。 |
| 蓝牙1.2 | 2003 | 1 Mbps | 10米 | 引入自适应跳频（AFH）技术，减少干扰。 |
| 蓝牙2.0 | 2004 | 3 Mbps | 10米 | 引入增强数据速率（EDR）技术，提高传输速度和功耗效率。 |
| 蓝牙2.1 | 2007 | 3 Mbps | 10米 | 简化配对过程，引入NFC集成，降低功耗。 |
| 蓝牙3.0 | 2009 | 24 Mbps | 10米 | 引入高速（HS）技术，提高数据传输速率。 |
| 蓝牙4.0 | 2010 | 1 Mbps (LE) / 3 Mbps (EDR) | 60米 | 引入低功耗蓝牙（LE），支持经典蓝牙和LE的双模设备。 |
| 蓝牙4.1 | 2013 | 1 Mbps (LE) / 3 Mbps (EDR) | 60米 | 提高与LTE共存的能力，增强连接稳定性。 |
| 蓝牙4.2 | 2014 | 1 Mbps (LE) / 3 Mbps (EDR) | 60米 | 提高传输速度和数据包容量，增强隐私保护。 |
| 蓝牙5.0 | 2016 | 2 Mbps (LE) / 50 Mbps (EDR) | 240米 | 增加消息容量，改进广播模式，提升速度、范围和容量。 |
| 蓝牙5.1 | 2019 | 2 Mbps (LE) / 50 Mbps (EDR) | 240米 | 引入方向查找功能，提高定位精度，优化能耗。 |
| 蓝牙5.2 | 2020 | 2 Mbps (LE) / 50 Mbps (EDR) | 240米 | 引入LE Audio，提升数据传输效率，改善音频体验。 |
| 蓝牙5.3 | 2021 | 2 Mbps (LE) / 50 Mbps (EDR) | 240米 | 减少延迟，增强抗干扰能力，提高电池寿命。 |
| 蓝牙5.4 | 2023 | 2 Mbps (LE) / 50 Mbps (EDR) | 240米 | 引入PAwR节省能耗，加密广播数据提升安全性。 |
- LE：低功耗蓝牙（Bluetooth Low Energy）。
- EDR：增强数据速率（Enhanced Data Rate）。
- AFH：自适应跳频（Adaptive Frequency Hopping）。
- NFC：近场通信（Near Field Communication）。
- PAwR：功率控制和优化（Power Control and Optimization）。
📌 2. 蓝牙协议栈的总体架构
无论是经典蓝牙还是BLE，其协议栈大体可以分为两大部分：Controller（控制器） 和 Host（主机）。在单芯片方案中，有时还不需要单独的HCI层，但在双芯片或者分布式设计中，HCI（Host Controller Interface，主机控制器接口）起着桥梁作用。
2.1 控制器（Controller）
物理层（PHY）
- BLE的物理层定义了如何使用无线电发射器/接收器来编码和解码用于传输和接收的数字数据，以及应用的其他无线电相关参数和属性。现阶段可以略过
主要了解下Frequency Band
BLE在2400Mhz至2483.5 MHz的2.4GHz免授权频段内工作。BLE采用40个信道，每个信道间隔为2MHz，分为数据信道和广播信道；广播信道占用3个，用于发现设备、建立连接、广播数据；数据信道占用37个，用于已建立连接设备间的数据通信。建立连接的两个设备，必须同一时间处于同一信道上才能通信。
其中37/38/39固定为广播信道，其余为数据信道。
链路层（LL）或基带层
在BLE中称为Link Layer（LL），在经典蓝牙中称为基带层。它负责建立连接、数据包格式、时序同步、信道选择、重传、加密等关键工作。BLE的LL层特别设计了低功耗传输的时隙、广播、扫描和连接管理机制；而经典蓝牙的基带层则更侧重于流媒体和连续数据传输的管理。
HCI（Host Controller Interface)
HCI (Host Controller interface)， 为Host访问Controller提供一组标准的接口 主要完成3个任务：
- Host通过HCI发送命令给Controller
- Controller通过HCI将事件发送给Host
- 传递ACL Data(面向连接，在连接通道上进行数据传输)
HCI将高层协议与低层硬件细节分离，确保应用层开发者无需关心无线电细节。
2.2 主机（Host）
在Host部分，各种高层协议主要负责数据的封装、拆分、加密、安全、服务定义以及用户数据的传输。
L2CAP（逻辑链路控制与适配协议）
L2CAP是个复用层，可以让低功耗蓝牙复用三条不同的信道。它也支持数据的分割和重组功能，使得较大的报文可以在底层无线电中传输。
BLE：主要由下面几个协议构成：
- ATT（属性协议）：规定了数据以属性的形式进行存储和传输，每个属性都有句柄、类型和数值。
- GATT（Generic Attribute Profile, 通用属性规范）：在ATT基础上组织数据，定义了服务和特征，便于客户端和服务端之间通过读、写、通知方式交换数据。
🔹 示例：BLE 设备的 GATT 结构
pgsql复制编辑设备: 智能手环
└── Service: 心率服务 (UUID: 0x180D)
├── Characteristic: 心率测量 (UUID: 0x2A37) [Notify]
├── Characteristic: Body Sensor Location (UUID: 0x2A38) [Read]
├── Characteristic: Heart Rate Control Point (UUID: 0x2A39) [Write]
GAP（Generic Access Profile, 通用访问规范)）：规定了设备发现、连接、广播、扫描、配对、绑定等基本功能，是所有蓝牙设备必须实现的通用接口。
📌 相关 GAP（通用访问协议）模式
BLE 设备的广播 & 发现行为由 GAP 模式 决定，关键参数如下：
模式名称 作用 是否广播 是否可被发现 是否可连接 可广播模式（Broadcast Mode） 设备周期性发送广播数据，无需连接 ✅ 是 ❌ 否 ❌ 否 可发现模式（Discoverable Mode） 设备允许被扫描设备发现 ✅ 是 ✅ 是 ✅ 是 可连接模式（Connectable Mode） 允许其他设备连接 ✅ 是 ✅ 是 ✅ 是 非广播模式（Non-Broadcast Mode） 设备不会主动广播 ❌ 否 ✅ 是 ✅ 是 SMP（Secure manager protocol）安全管理协议
：管理配对、认证和加密过程，确保数据交换的安全性。
📌 3. 双模蓝牙（BLE + 经典蓝牙）的协同工作
在双模蓝牙设备中，两个协议栈共存，但它们之间有一些公共的基础模块：
- 共享HCI接口：无论是经典还是低功耗，Host与Controller之间通过统一的HCI通信。
- 公共的物理层硬件：虽然信号调制和信道划分可能有所不同，但物理无线电部分通常由同一芯片实现，支持不同协议模式下的发射与接收。
- 软件调度与资源分配：在多任务操作系统中，系统需要调度经典蓝牙与BLE之间的无线资源，确保它们不会互相干扰。双模设计使设备能够根据应用需求动态切换工作模式，从而在高带宽和低功耗之间取得平衡。