藍牙技術在無線電的基礎上建立可靠的連接技術

藍牙設備能夠在最具挑戰性的環境中實現高度可靠的通信。藍牙技術每一層的設計都考慮了可靠性并采用了多種技術來降低干擾概率。

藍牙技術聯盟（SIG）的開發者關系經理Martin Woolley發布一篇技術專題文章：了解藍牙技術的可靠性。在這篇深入探討藍牙可靠性的文章中，Woolley解釋了藍牙技術如何在無線電的基礎上建立可靠的連接。

在無線的基礎上創造可靠性

藍牙設備的通信效果非常好，原因在于藍牙通信系統所使用的無線電及其協議等設計的諸多方面。

藍牙技術是一個模塊化的系統，而且可以配置不止一種堆棧。

智能手機和可連接的外圍設備包含一個低功耗藍牙（Bluetooth LE）控制器，其主機組件支持通用接入配置文件（GAP）和通用屬性配置文件（GATT）以及屬性協議（ATT）和安全管理協議（SMP）等協議。圖3a顯示了這種堆棧配置。

圖3a - 支持GAP/GATT/ATT低功耗藍牙的堆棧配置

藍牙mesh網絡設備也包含一個低功耗藍牙控制器，而主機部分將包含藍牙mesh網絡協議堆棧的各層。圖3b描繪的是一個藍牙mesh堆棧。

圖3b - 支持藍牙mesh網絡的堆棧配置

無論堆棧配置如何，每一層都有明確的職責和向上下相鄰層傳遞數據的方法。藍牙技術中用于減輕或降低特定類型潛在可靠性問題概率的特征存在于堆棧的各個部分中。有些此類機制適用于藍牙技術的所有可能用途，有些則只適用于特定的情景。

一般適用特征和緩解技術

我們先從藍牙技術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所示的是一個藍牙空中接口數據包（air interface packet）示例。

圖4 – 包含ATT PDU的藍牙數據包示例

藍牙調制方案

藍牙技術的可靠性始于最基本的問題 —— 如何使用無線電作為數字數據的載體。在藍牙協議堆棧中，這些問題在物理（PHY）層處理。

物理層必須處理的主要問題之一是能夠識別藍牙無線電傳輸并正確提取信號中的編碼數據。這絕對是實現可靠性過程中最基本的一步。

無線電是一種模擬物理現象。物理學家通常用波來模擬無線電信號。無線電波擁有電磁能量，并具有振幅、波長和頻率等一系列基本特性（請參見圖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制方案。目前有很多調制方案。有的利用信號的振幅變化；有的利用無線電相位進行信息編碼，有的則利用頻率變化。

當可靠性成為無線電通信系統的一個重要設計目標時，就能發現有些調制方案優于其他方案?；谡穹恼{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

藍牙技術采用一種特殊的二進制頻移鍵控調制方案，這被稱為高斯頻移鍵控（Gaussian Frequency Shift Keying，GFSK）。之所以稱之為二進制調制方案，是因為每個符號只代表一個數位，其值為0或1。

二進制頻移頻鍵控通過選擇一個中心頻率（即載體），然后根據給定的頻率偏差將其上移以表示1，或根據該頻率偏差下移以表示0，從而對數字數據進行編碼。藍牙核心規格中規定了允許的最小頻率偏差大小，同時后者取決于所選擇的符號速率。在低功耗藍牙中，符號速率為每秒1或2個百萬符號（Msym/s）。1Msym/s符號速率的規定最小頻率偏差為185kHz，較快符號速率的最小頻率偏差為370kHz。應仔細選擇這些數值，以幫助可靠識別在信號中編碼的1和0。

根據定義，在頻移鍵控（Frequency shift keying，FSK）調制方案中，每當符號值發生變化時，頻率都會發生變化。頻率的突發瞬時變化會產生噪音，而噪音會造成干擾。此外在實際電路中可能出現信號意外溢出至其他頻率的頻譜泄漏，使接收器的解碼任務變得更加困難。

藍牙技術通過使用高級FSK調制方案GFSK來降低干擾。GFSK修改了標準的FSK方法，加入了一個高斯濾波器，使頻率轉換變得平滑，因此噪聲更小、頻譜寬度更窄，減少了對其他頻率的干擾。

前導碼

所有低功耗藍牙數據包中的第一個字段被稱為前導碼（preamble）。前導碼長8位，包含一個二進制1和0的交替模式。其用途是為接收機提供可以用來尋找剩余數據包中用于編碼數字1和0的頻率的材料。它還被優化信號強度的無線電自動增益控制所使用。

準確確定信號中使用的頻率并將無線電的參數設置到最佳狀態是保證可靠接收數據包的第一步。

訪問地址

當藍牙控制器正在監聽某個通道的數據時，它將接收該通道定義的頻率范圍內的所有無線電信號。所接收的信號可能是：

· 發送到該設備的藍牙數據包

· 原本未計劃發送給該設備的藍牙數據包

· 與其他無線通信技術有關的數據包（在同一ISM頻段內運行并使用當前正在被掃描的藍牙無線電通道的頻率）

· 背景噪音

藍牙控制器必須能夠區分這些信號，并準確選出對發送到該設備的藍牙數據包進行編碼的信號。任何其他信號必須被忽略。

所有藍牙數據包都包含一個32位訪問地址（access address），該地址可以幫助在最短的時間內迅速挑選出來是藍牙的信號，其他信號可以立即被丟棄。

訪問地址有兩種類型。廣播訪問地址（advertising access address）為固定值0x8E89BED6，大多數廣播包都使用這個地址。之所以選擇這個數值，是因為它具有良好的相關性。相關性是用于識別信號中特定模式的數學程序。

在兩個相連設備通信過程中交換的數據包包含一個訪問地址，該地址包含一個由鏈路層分配的值，該值是所有與該連接相關的數據包的唯一識別符。這些生成的訪問地址值大部分都是隨機的，但受制于提高訪問地址識別可靠性的附加規則。

與定期廣播鏈（periodic advertising）和同步廣播串流（Broadcast Isochronous Streams，BIS）有關的數據包都有一個唯一的訪問地址。通過訪問地址可以選擇與接收設備相關的信號。藍牙協議堆棧的鏈接層負責檢查訪問地址。

由于訪問地址的長度為32位，將隨機背景電磁噪聲誤認為藍牙信號的概率極小。在極少數的情況下，隨機背景噪聲模式與接收器相關訪問地址會匹配，那么就將通過進一步的位流處理迅速確定它不是一個有效的藍牙數據包。

僅快速選擇相關信號并丟棄其他信號是藍牙接收器運行的另一個關鍵步驟，有助于實現可靠的通信。

循環冗余檢查

所有藍牙數據包都包含一個循環冗余檢查（Cyclic Redundancy Check，CRC）字段，該字段出現在數據包的末端或附近。CRC是一種常用機制，用于檢測由于沖突等問題導致傳輸數據被無意改變的情況。

當鏈路層制定一個新的數據包時，通過對數據包中的其他位應用CRC算法計算出一個CRC值。然后將結果的24位值加到數據包中。在接收數據包時，接收設備中的鏈路層重新計算CRC，并將結果與接收數據包中包含的CRC值進行比較。如果兩個值不一樣，則斷定傳輸數據包中的一個或多個數位被改變，并且數據包被丟棄。

應該注意的是，CRC并不是一種安全機制，這是因為數據包可能被故意改變，而且CRC可能被輕易地重新計算。

圖7 – 帶有MIC字段的加密低功耗藍牙數據包

信息完整性代碼

低功耗藍牙數據包可以被加密。所有的加密數據包都包括一個稱為消息完整性檢查（Message Integrity Check，MIC）的字段。MIC其實是一種信息驗證碼（Message Authentication Code，MAC），但由于MAC的縮寫在通信領域還有其他用途，所以在藍牙規格中使用的是MIC。

MIC本身并不是一種可靠性功能。它是一種安全功能，用于檢測故意篡改數據包內容的企圖。但由于在可靠性的非正式定義中，所傳輸的數據應是被接收的數據，并且我們承認可能會發生無意或故意的更改，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？

擴頻率（Spread Spectrum）

藍牙技術使用2.4GHz ISM無線電頻段。2.4 GHz ISM并未定義一個單一的頻率，而是定義了一個頻率范圍，在這里是從2400 MHz開始，到2483.5 MHz結束。當與低功耗藍牙一起使用時，這個頻率范圍將被劃分為40個通道，每個通道寬2MHz。藍牙BR/EDR將其分為80個1MHz寬的通道。

每個通道都有編號，第一個是通道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牙所使用的無線電通道。請注意，通道號（channel number）按照0到39的順序遞增，而通道指數（channel index）通過一種略微不同的方式分配至ISM通道集。

圖8 – ISM 2.4 GHz頻段內的低功耗藍牙通道

通過藍牙技術進行數據通信需要使用一個以上的無線電通道。多個無線電通道的使用使藍牙通信在繁忙的無線電環境中具有很高的可靠性。在這種環境中很可能發生沖突和干擾。

這種使用多個頻率的方法被稱為擴頻技術。藍牙也屬于一種擴頻無線通信技術。擴頻技術在不同情況下的應用細節各不相同。

解決共存和合用問題

一些不同的無線電技術會同時使用同一無線電頻段，這會帶來潛在的挑戰。一種技術可能會干擾另一種技術的傳輸，尤其是發生沖突（collision）。此類問題統稱為共存（coexistence）問題。藍牙技術、Wi-Fi、無繩DECT電話甚至微波爐都在2.4 GHz ISM頻段工作，因此這些技術和設備類型之間可能存在共存問題。

藍牙主要通過使用擴頻技術來解決共存問題。在連接兩個設備時，可通過讓藍牙在該場景中使用擴頻技術這一特殊方式實現更高的可靠性。

合用（Collocation）指在同一設備中存在一個以上的無線電，而且每個無線電支持不同的通信技術或技術組。同一設備中的不同無線電設備之間存在干擾范圍。長期演進（Long-Term Evolution，LTE）無線電用于4G移動電話系統，可以在與2.4 GHz ISM頻段相鄰的頻段中工作，這就會產生潛在的問題，比如在一個無線電發送時阻止另一個無線電接收。大多數合用問題不屬于藍牙核心規格本身范疇，但規格會向實施者提供建議。緩解措施包括使用濾波器減少無線電之間的干擾和建議實施者對無線電時間段進行排程。

無線電時間段排程是一個復雜的問題，涉及到確定何時可以使用和不可以使用無線電。排程的一些方面屬于藍牙核心規格范疇。與其他無線電搭配所產生的問題以及其他考慮因素和限制因素，如操作系統可能施加的限制因素等，則不屬于這一范疇。已定義一個被稱為槽位可用性掩碼（Slot Availability Masks，SAM）的特征，它允許兩臺藍牙設備互相提供關于哪些時間段可以使用的信息。根據這些信息，可以優化每個設備的排程，避免發生合用干擾的時間段。

低功耗藍牙編碼的物理層

低功耗藍牙提供三種不同的無線電使用方式。這三種方案是物理層的一部分，每一種都以縮寫PHY來表示。這三種定義的物理層是：

· LE 1M – 1 Msym/s符號速率

· LE 2M – 2 Msym/s符號速率

· LE Coded – 1 Msym/s符號速率，帶前向糾錯（FEC）

LE Coded PHY增加了接收器的靈敏度，因此在接收器與發射器的距離比LE 1M PHY更大時才會出現0.1%的誤碼率。在使用LE Coded時，參數S被設置為2或8。當S=2時，LE Coded的可靠通信范圍大約增加一倍。當S=8時，范圍約為四倍。

在不增加傳輸功率的情況下，LE Coded PHY通過在每個數據包中加入額外的數據來實現更遠距離的可靠通信，這使得錯誤既能被檢測到，又能通過一種被稱為前向糾錯（Forward Error Correction）的數學技術進行糾正。但伴隨范圍增加的是數據速率的降低，S=2的數據速率為500 Kb/s，S=8的數據速率為125 Kb/s。

LE Coded PHY的主要用途是增加范圍，但它是通過降低較低信號強度下的誤碼率來實現這一目標，因此較長距離的通信也有足夠的可靠性。

編輯：hfy