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探讨低功耗蓝牙技术如何建立连接


低功耗蓝牙技术(Bluetooth® low energytechnology)是蓝牙经典标准的演进,专注于为设备间提供可靠、高效且低功耗的链路连接。它具有超低的功耗,满足超长的续航能力。
2014年年底,蓝牙技术核心规范4.2版本正式发布。在该版本中,引入了最新的隐私保护机制,此外,该版本还大大提升了低功耗蓝牙技术设备间数据传输的速度与可靠性。由于低功耗蓝牙技术封包容量增加,设备之间的数据传输速度可较蓝牙4.1版本提升2.5倍。数据传输速度与封包容量的增加能够降低传输错误发生的机率并减少电池能耗,进而提升连网的效率。本文就低功耗蓝牙技术设备之间的连接进行详细的讲解。希望能帮助开发者设计出更多有创新性的产品和解决方案。
在低功耗蓝牙技术建立连接的过?#35752;校?#35774;备都是成对出现的:master和slave设备。如果master希望与slave建立连接,master就需要发起连接请求(ConnectionRequest,CONNECT_REQ),因此master可以称之为连接发起者;同?#20445;瑂lave必须是可连接的并且具有解析连接请求CONNECT_REQ的能力,slave可以称之为广播者。图1是连接请求CONNECT_REQ的帧结构。

其中,InitA是连接发起者的蓝牙设备地址,长度为6字节;AdvA是广播者的蓝牙设备地址,长度为6字节。除了InitA和AdvA之外,帧格式中最为重要的部分则是LLData,这一部分包含了在连接建立过?#35752;?#25152;需要使用的有意义的参数。
为了更好的理解连接请求CONNECT_REQ,我们可以在日常生活中找到类似的一个例子,帮助我们理解它的含义。读者们很多应该都有过工作经验,在开始新的工作之前,都需要和雇主签署一份劳动合同,而CONNECT_REQ就是一份由“雇主”master提供的“劳动合同?#20445;?#21482;需经过“雇员”slave确?#24076;?#36825;份“合同?#26412;?#24320;始生效,低功耗蓝牙技术的连接也就建立了。接下来我们就对“合同”中的各项条款逐条进行分析(如图2所示)。

(1)接入地址(AA:Access Address)
这份合同的第一条款就是为雇员分配一个公司内部的唯一识别码,类似于工号,雇员可以在公司内部使用这?#36824;?#21495;;当雇员离开公司之后,唯一识别码自动失效;即使是这?#36824;?#21592;再次加入到这家公司,他/她的新工号也与旧的工号不同。类似的,在两个低功耗蓝牙技术设备建立连接之前,master设备负责生成接入地址,这一地址类似于一个4字节的随机数,当连接建立之后,master和slave都使用这一接入地址进行通信;当连接断开之后,接入地址自动失效。
 
(2)CRCInit(CRC初始值)
这份“合同”的第二条款是CRCInit,它就是雇员在公司内部的一个密钥,通过这个密钥,雇员可以访问公司内部的资源。对于低功耗蓝牙技术设备,master和slave使用CRCIinit来验证数据包的完整性。
 
(3)WinSize和WinOffset
合同的第三条款中规范了雇员首次来公司报到的时间以及今后每次工作的时长。WinSize和WinOffset在低功耗蓝牙技术连接中,也做了类似的定义。WinOffset定义了在CONNECT_REQ命令之后的一个通信窗口的偏移量,如图3所?#23613;?#22312;slave设备收到CONNECT_REQ之后,slave设备需要?#21152;?#19968;些时间、根据LLData参数进行一些相关的配置,因此,WinOffeset为slave设备进行此种操作提供了时间,transmitWindowOffset= WinOffset×1.25 ms。WinSize定义了设备每次开启收发机的窗口时间,无论是master还是slave,它们都遵循WinSize的定义,窗口时间transmitWindowSize=WinSize×1.25 ms。
因此,在CONNECT_REQ之后,第一个由master发送到slave的数据帧,我们称之为“锚点?#20445;?#22914;图3所示),因为之后的所有的连接事件都以这一时刻为基准,呈现周期性变化。从红色框图中我们可以看到,第一个数据帧的时刻不能早于(1.25ms+transmitWindowOffset),同时也不能晚于(1.25 ms + transmitWindowOffset +  transmitWindowSize)。

(4)Interval, Latency & Timeout
一般情况下,人们的工作时间是朝九晚五,一周工作五天。但是在低功耗蓝牙技术的连接机制当中,我们采用了更加灵活的“弹性工作制”。对于低功耗蓝牙技术连接的弹性工作制,这里有三个参数需要了解,Interval,Lantency和Timeout。

在连接建立之后,master和slave之间的数据交互我们可以称之为连接事件,连接事件的发生周期(connInterval)则是由Interval参数来进行设定,connInterval= Interval×1.25 ms, connInterval的取值范围则是在7.5 ms至4 s秒之间。因此,在确定了锚点之后,master和slave将按照connInterval确定的时间间隔进行数据的交互,如图4所?#23613;?br /> 但是,对于低功耗蓝牙技术,低功耗的特性是需要特别考虑的,而且在?#23548;?#30340;应用当中,不需要在每次connInterval都产生连接事件,因此引入了参数Lantancy,可以有效的减少连接事件的产生,connSlaveLatency= Latency。connSlaveLatency 定义了slave设备可以忽略多少个连续的连接事件,其不需要在这些被忽略的连接事件中侦听来自master的数据包,这也意味着slave设备不需要在每个连接事件产生的时刻都唤醒并打开射频接收机进行侦听,所以可以有效减少slave设备的功耗。这也是低功耗蓝牙技术能够实?#21046;?#20302;功耗特性的一个重要的原因。
Timeout参数定义了连接超时的长度,connSupervisionTimeout= Timeout×10 ms,其取值范围在100 ms至32 s之间。不论是master还是slave,在其收到一个数据帧之后,如果等待了connSupervisionTimeout时长都没有下一个数据帧到来,则可以认为连接已经断开。在这里要强调的是,connSupervisionTimeout必须大于(1 + connSlaveLatency) × connInterval × 2,否则,slave设备即使是在Lantency状态,也会被误认为是连接超?#20445;?#23548;致连接误断开。
 
(5)ChM & Hop
我们都知道,蓝牙使用的是跳频技术,当连接建立之后,master和slave设备就需要利用某种机制来在预先设定的信?#21171;计咨稀?#25353;照预先设定的跳频跨度进行跳频工作,信?#21171;计?#23601;来自ChM参数,每跳的跨度则来自于Hop参数。Hop是一个整数,取值范围在5至16之间。下面的公式提供了跳频的工作方式:
fn+1 =(fn+ Hop)mod37
其中,mod为取余操作。
低功耗蓝牙技术具有37个数据信道,数据信道索引为0-36,上式中,fn为当前信道索引,fn+1为下一跳信道索引。表1为Hop= 13时的跳?#20302;肌?br />
ChM为可用数据信?#21171;计?#30340;位屏蔽码,长度为5个字节,40比特。由于有37个数据信道,所以只有低37位有效。如果位屏蔽码的某一比特置1,意味这一比特所代表的数据信道可用;如果置0,则不可用。根据跳?#23548;?#31639;公式以及ChM,跳频可以为自适应的。如果fn+1信道在ChM中标记为可用,则采纳fn+1作为下一跳信道;如果fn+1信道在ChM中标记为不可用,下一跳信道需要重新?#25104;?#22312;其他可用信道上进行数据通信。因此,以上机制保证了低功耗蓝牙技术具有很好的抗?#25159;?#33021;力。
 
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