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蓝牙技术联盟：架构篇 (Volume 1, Part A)

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发布于 2025-06-27 23:24:38（微信公众号导出记录）。

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真正读懂蓝牙,我们必须从它的“宽法“蓝牙核心规格(BluetoothCore Specification)—说起。我们日常挂在嘴边的蓝牙4.8、5.2,乃至最新的v6.0,其版本号 正是源于这份文档。为了便于理解,这部底大的规格被清晰地划分为B卷,这片笔记整理记录 Volume 1, Part A 卷(VoLum 核心内容

一句话解读​

e) 世界地图 :告诉你整部规格的结构,以及蓝牙产品的基本形 第日卷 综合指南与核心配置 态。 建筑蓝图 核心架构 第1卷 经典蓝牙(BR/EDR) 经典蓝牙的心脏 第2卷 控制器 :定义了蓝牙耳机、音箱等技术的底层细节。 蓝牙的大脑 第3卷 主机(Host) :定义了所有上层协议,如效据通道、服务发现、 安全管理等。 主机控制器接口(HC 关键的神经中枢 第4.卷 I) :定义了"大路“和”心脏”之间的标准通信语言。 (已虚弃) 第5卷 (历史档案,已不再使用) 低功耗蓝牙的灵魂 低功耗蓝牙(LE)控 第6卷 :定义了手环、信标等BLE设备的底层射频和链路 制器 逻辑。 外交策略 第7卷 无线共存 :定义了蓝牙技术如何与W1-F1等其他无线“邻居” 和平共处。

1.概述(General description)​

SOH Host Host

LE BR/EDR BR/EDR LE Controller Controller Controller Controller

  • 两大系统:蓝牙技术包含两种形态:经典蓝牙(BR/EDR)和低功耗蓝牙(LE)。两者都具备

设备发现、连接建立和管理机制

  • BR/EDR:为经典蓝牙,提供同步和异步连接,支持较高的数据速率(BR为721.2

kb/s,EDR可达2.1Mb/s),适用于音频传输等场景。

  • LE:为低功耗蓝牙,专为低功耗、低成本、低复杂度的产品设计,适用于数据速率要求

不高、占空比低的应用场景。LE同样支持可选的2Mb/s物理层速率和创新的同步数据传 辅机制 成。

  • 主机(Host):逐辑实体,包含了蓝牙协议栈中高于HCI(主机控制器接口)的所有层。

  • 控制器(ControlLer):逻辑实体,包含了HCI及以下的所有层(如射频、基带)。

  • 控制器配置:一个蓝牙核心系统只有一个控制器,但控制器可以有三种配置:

  • 仅BR/EDR控制器。

仅LE控制器。 BR/EDR+LE 双模控制器。

2.核心系统架构(Core systemarchitecture)​

ATT/ SOP SMF GAP

Chernel Manager L2cao Resour Manage L2CAP Host HCI CE C/E ISO ACL ACL Channel Link ISOAL Manige tupunog + Device Manager Link Controler Link Controller BR/EDR Rido andLE Rado PH) BR/EDR Controller LE Controller 500 (CE) nd/tvent p Aa Aaynchronsus (ACL) dats path 0 ea epep pue auee-n Conmected bochroneus Stream [CIS] 蓝牙核心系统架构由一系列功能块和它们之间的通信协议组成,确保不同厂商的设备和组件能够 互操作。

  • 主机功能块(Host Architectural BLocks):

  • 信道管理器(ChannelManager):负责创建、管理和关闭用于数据传输的L2CAP信

道。

  • L2CAP资源管理器:管理向底层提交数据包的顺序和调度,确保服务质量(QoS)。

  • 安全管理器协议(SMP):仅用于LE系统,负责生成加密密钥和身份密钥。

  • 属性协议(ATT):定义客户端与服务器之间的通信协议,用于读写少量数据(即“属

性”)。

  • 通用属性配置文件(GATT):构建于ATT之上,定义了服务、特性等微据层次结构,是

LE服务发现的基础,

  • 通用访问配置文件(GAP):定义了设备发现、连接模式、安全认证等基础行为,是所有

蓝牙设备的通用准则。

  • 服务发现协议(SDP):仅用于BR/EDR系统,提供一种机制来发现对端设备提供的服

务。

  • 控制器功能块(Controller Architectural Blocks):

  • 设备管理器:控制设备的通用行为,如扫描、连接、广播等。

  • 链路管理器(LinkManager):负责创建、修改和释放運辑错路,通过LMP(BR/EDR)

或LL(LE)协议与对端设备通信。

  • 基带资源管理器:负责所有对无线媒介的访问,核心是调度器,为各个通信任务分配时间

片。 °

  • 链路控制器(LinkController):负责蓝牙数据包的编解码和链路控制信令(如应

答、流控)。

  • 物理层(PHY):负责在物理信道上发射和接收信息包。

  • 同步适配层(ISOAL):使上层能以灵活的尺寸和间隔收发同步数据。

  • 信道探测(Channel Sounding):负责创建、管理信道探测过程,收集用于距离估算

信道探划 (ch 的数据。

3.传输架构(Transport architecture)​

L2CAP L2CAP Channels Layer Logical Links Logical Layer LogicalTransports Physical Links Physical Physical Channels Layer PhysicalTransports ajero

蓝牙数据传输遵播分层架构,从下至上依次为:物理信道->物理链路->逻疆传输->逻辑 链路->L2CAP信道

  • 核心传输承载:为不同类型的应用数据(如异步效据、同步流数据)提供标准化的传输通

道。

  • 数据可靠性:

  • BR/EDR:在基带层通过CRC校验和ARQ(自动重传请求)机制保证可靠性。L2CAP层还

可提供额外的错误检测和重传。

  • LE:链路层使用24位CRC,可囊性高,因此L2CAP层无需再提供额外的铺误检测机制。

4.通信拓扑与操作(Communication topology andoperation)​

  • BR/EDR拓扑:

  • 微微网(Piconet):一个主设备(Central)和最多七个活动从设备(Peripheral)构

成。主设备的时钟和地址定义了整个微微网的跳频序列。

  • 散射网(Scatternet):由两个或多个共享设备的微微网组成

A ? ?

Basic picone ? physicel chennel (Connectionless Peripherel Broadcest physical link) pufg

  • LE拓扑:

  • 微微网(Piconet):一个主设备(Central)和一个从设条(Peripheral)构成一个微

微网。主设备可以同时属于多个微微网,从而连接多个从设备。

  • 广播与扫描:设备可以通过广插(Advertising)被发现,或通过扫描(Scanning)发现

其他设备,这是建立连接或单向通信的基础。 LE Ade 5T

LE Adverising

/iajero

  • 操作流程:包括设备发现(Inquiry/Discovering)、连接(Paging/Connecting)、连

接模式下的各种操作(如低功耗模式Sniff/Hold、角色切换等)。

5.安全概述(Security overview)​

蓝牙安全模型包含五大特性:配对、绑定、设备认证、加密和消息完整性。

  • 安全机制演进:

  • 传统配对(LegacyPairing):BR/EDR早期安全机制

  • 简单安全配对(Secure Sinple Pairing):BR/EDR引入,使用ECDH公钥密码学,

极大提升了抗窃听能力,并简化了用户操作。

  • LE传统配对(LE Legacy Pairing):LE早期的安全机制

  • 安全连接(SecureConnections):BR/EDR和LE均支持,是目前最高安全等级,使

用FIPS认可的算法(如P-256圆曲线),强制使用认证加密。

  • 隐私特性(PrivacyFeature):LE支持通过周期性地更换蓝牙地址(使用可解析的私有

地址)来防止设备被长期追踪。 DHNayNt

30A00R AU_RAND E1 (SAFE) RES

(AES-CMAC-12I) 5_C ES_P LE LTK MSHIMAC-BH4-255 E2 (8AFER-) AES K_enc

Nonak AES-CCA

LE Secure BR/EDR Secure LE Legacy Pairing Connections Pairing Connections Pairing BR/EDR Secure Connections s1(A55-128) LESTK LE LTK legeoy LE key distnbution: LTK, EDIV, RAND. RK, CSRK L.TKaom LE Legac) Parirg LTK BREDR Link.Key LE key distribulion IRK, CSRK Slored Long Tem Key

6.蓝牙应用架构(Bluetooth application architecture)​

  • 配置文件(Profile):是实现应用互操作性的关键。它定义了为完成特定用例(如“免提通

话”、“心率监测”)所需的所有协议和流程。

  • GAP(通用访问配置文件):是所有Profile的基础,定义了所有蓝牙设备都必须实现的基

本功能和行为。

  • GATT(通用属性配置文件):是所有BLEProfile的基础,定义了基于“服务"和“特性“的

数据结构,使得不同应用能以标准方式交换数据。

7.共存与并置(Coexistence and collocation)​

由于蓝牙工作在拥挤的2.4GHzISM频段,与Wi-Fi、蜂宽网络(LTE)等技术共存是一个重要议 题。 Multi-Radio Terminal (MRT) Host Buetooch Bate MVS Controller Stafion Device

接心共存技术:

  • 自适应跳频(AFH):蓝牙设备能自动检测并避开被其他设备占用的“坏"信道,只在“好”

信道上跳频通信。

  • 协作式共存:通过标准化的硬件接口(MWSCoex1stence 51gnal1ng),让蓝牙芯片

和Ni-Fi/LTE芯片能相互通信,协调收发时机,避免“自相残杀”。 MWS Uplink Uplink One MWS Frame (5ms)- Bluerooth is Cerntral and is not SMW m pou5ge ery Dovnik Downink Downink udn usdn MWS One MVS Frame (5m8) 10js qiocienig boundery is algned wih MAS :ame boundary MWS F Bluetooth CENTRAL FAILED FAILED FAILED SUCCESS MWS Downirk Upink Downlink.

MRT Upirk FAILED FAILED SUCCESS

8.LE方向感知(Direction finding using Bluetooth Low Energy)​

  • 技术原理:通过在收发过程中切换天线阵列,测量无线电波到达不同天线时的相位差,从而

计算出信号的来源方向。

  • 两种方法:

  • 到达角(AngleofArrival,AoA):接收端使用天线阵列,发射端使用单天线。

LE Receiver AoA Estimation

Radio signal

Antenna 1

  • 出发角(AngleofDeparture,AoD):发射端使用天线阵列,接收端使用单天线。

AoD RF Switch LE Transmitter

LE Receiver

AoD Estimation

Radio signal

9.LE信道探测(Channel Sounding using Bluetooth Low Energy)​

  • 技术原理:通过在两个设备间交换一系列特定的射频信号,精确测量信号的传播特性,从而

估算设备间的物理距离。 Poodi Ivent

  • 两种方法:

往返时间(Round-TripTime,RTT):通过测量信号在两个设备间往返一次所需的时 间来计算距离。

  • 基于相位的测距(Phase-BasedRanging,PBR):通过测量信号在不同频率上的相

位变化来计算距离,精度更高。 ToD ToA Total time oninitiator (Tintater) Initiator Time used by reflector {Treneaor) ToF ToF Reflector 1 ero ToA

  • 安全特性:信道探测过程加入了加密随机化机制,以防止距离欺骗攻击。

收录于蓝牙

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