时间：2025-11-04 08:28
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liwen01 2025.10.02
WiFi、蓝牙都是使用无线电进行数据交互，但是无线电是不可靠的传输，它会反射、散射、折射、衍射还会相互干涉。从用户的体验来看，就是无线信号强度变弱，连接中断、掉线、音频卡顿、失真、配对困难、传输速率下降等。
为解决无线通信中的各种问题，蓝牙模块在物理层、链路层、软件协议栈上都做了些不同的处理，使不可靠的无线传输逐渐地变为可靠的数据传输。
无线信号通信中的不可靠性，一部分源自于无线信号衰减、干扰，另一部分源自于无线数据的数据安全。
信号从发射端传播到接收端过程中，强度逐渐减弱的现象称为信号衰减，衰减的原因有：
（a）自由空间路径损耗
路径损耗是指电磁波从发射天线传播到接收天线的过程中，信号强度的衰减。
即使在没有障碍物、没有反射、没有散射的理想环境中，信号也会衰减，这种损耗就叫自由空间路径损耗。
（b）穿透损耗
穿透损耗是指电磁波在穿过某种物体（例如墙壁、窗户、门、地板等）时，由于能量的吸收、反射、散射和折射等作用，导致信号强度降低的现象。
常见的如在拥挤的地铁上，手机放在口袋中，无线耳机有时就会出现断断续续的情况，主要原因是因为无线电穿透人体后信号强度降低了，导致数据接收不稳定。
（c）多径损耗
在无线电波传播过程中，信号不仅会沿着直线路径从发射端传到接收端，还可能被周围的物体（如建筑物、墙壁、地面等）反射、折射、散射或绕射，形成多个路径同时到达接收端的现象，这就叫做多径传播（Multipath Propagation）。
而由于这些路径的长度不同、到达时间不同、相位不同，它们在接收端会叠加，有时候会相互增强，有时候却会相互抵消，产生信号的波动，这种现象造成的信号衰减就称为 多径损耗（Multipath Loss）
这也叫电磁波的干涉
上图中两个波 f(x) 与 g(x) 它们相互干涉形成了紫色的波 f(x)+g(x)，改变 g(x) 的相位，可以看到相干波峰值被加倍或者被抵消为 0。在无线电信号中表示信号增强和衰减
（d）噪声干扰
蓝牙标准使用的是2.4 GHz ISM（Industrial, Scientific and Medical）频段。 这个频段是与Wi-Fi（2.4GHz）重合的。
除了WiFi，还有微波炉、ZigBee、LoRa、等各种设备都是运行在该频段，它们间相互干扰，对于蓝牙而言，就容易出现上面提到的：连接中断、掉线、音频卡顿、失真、配对困难、传输速率下降等问题。
（e）天线方向性与增益
方向性描述了天线把能量集中到某个方向的能力。
全向天线：像一个灯泡，360° 辐射，适合覆盖大范围但距离较近的区域
定向天线：像手电筒，能量集中在一个方向，适合远距离通信
天线增益（Antenna Gain）表示天线将电磁能量聚焦到某个方向的能力，用来衡量信号强度的提升程度，通常单位是 dBi（相对于理想全向天线的增益）。
增益越高 → 信号在特定方向上越强 → 能传播得更远。
不同国家地区对电磁辐射的要求不一样，所以也不能简单粗暴地通过提升增益来提高信号。
（a）配对与身份验证安全
主要体现在配对过程易受攻击
（b）加密与隐私问题
加密强度不足
（C）协议层漏洞
蓝牙协议栈实现复杂，容易被发现安全漏洞。例如：
为了解决无线网络的不可靠问题，蓝牙对信号进行了调制处理，在链路层将数据进行进一步的封装，然后再对数据进行加密、白化、FEC编码等操作，使蓝牙无线信号逐渐地变为可靠的数据传输方式。
无线信道（天线发射、接收）只能处理模拟信号，也就是连续变化的波（电磁波）。
调制的本质是把数字数据“转换”成可以在无线信道中传输的波形，比如频率、相位、幅度的变化。
对无线信号进行调制，是为了能高效、可靠地通过无线信道传输数据。
在蓝牙设备中，不同工作模式下的调试方式都不一样。
| 模式 | 调制方式 | 速率 | 备注 |
|---|---|---|---|
| BR | GFSK | 1 Mbps | 最基础的蓝牙模式 |
| EDR | π/4-DQPSK, 8DPSK | 2 / 3 Mbps | 提升数据速率的经典蓝牙模式 |
| BLE 1M | GFSK | 1 Mbps | BLE 默认模式，低功耗 |
| BLE 2M | GFSK | 2 Mbps | BLE 高速模式 |
| BLE Coded | GFSK + FEC 编码 | 125/500 kbps | BLE 长距离模式（低速高可靠） |
使用场景：BR、LE 1M/2M PHY
特点：
使用它的原因：
使用场景：EDR（2 Mbps）
特点：
使用它的原因：
使用场景：EDR（3 Mbps）
特点：
使用它的原因：
使用场景：LE Long Range（远程模式，1M PHY编码）
调制：GFSK + FEC（前向纠错）
特点：
使用它的原因：
这里介绍的是蓝牙链路层的数据包格式，其中BR与EDR链路层数据包格式是相似的，但它们与 BLE 在链路层的数据包格式却差异很大
（a）Access Code（接入码）
所有蓝牙数据包的开头都有一个接入码。这个码由主设备分配，是从设备同步和识别主设备的关键部分。接收端通过匹配 Access Code 来判断该包是否是发送给自己的。
Access Code 的长度为 72 bit，主要作用是：
（b）Header（包头）
包头携带的是控制信息，该控制信息控制着链路层的逻辑和通信协议流程，并且为了增加可靠性，会进行 3 次重复发送 + 多比特纠错。
总长度是 54 bit ，是由 18bit 的信息重复 3 次构成。
包含字段有：
（c）Payload（负载）
负载中包含实际的数据内容。不同的 BR 包类型支持不同长度的 Payload（如 DM1、DH1、DM3、DH3、DM5、DH5），总的长度范围是0 ~ 2745 bit
主要结构有：
（d）调制方式
在 BR 数据包中，所有的字段和数据都是使用 GFSK 调制方式。
EDR 链路层数据包中包含了 6 个组成部分，使用了两种不同的调制模式。
（a）Access Code（接入码） 与 Header（头部）
BR 与 EDR 在Access Code（接入码） 与 Header（头部） 部分是完全相同的。
它们使用相同的数据结构，以及它们都是采用 GFSK 调制方式。
（b）Guard（保护间隔）
Guard 是 EDR 独有的部分，因为 EDR 使用两种调制模式。
EDR 数据部分使用 DPSK（差分相移键控）调制，而前面的部分用的是 GFSK（高斯频移键控），中间需要一点间隔时间（guard time）切换调制方式，避免误码。
Guard 的作用就是为后续使用不同调制方式的部分做准备，避免调制冲突。
（c）Sync（同步）
Sync（同步）的作用是为了接收端的解调器可以正确解码 DPSK 信号。
Sync 字段有特定比特图案，帮助接收端锁定时钟与相位，对准 DPSK 调制的起始点。
（d）Enhanced Data Rate Payload（增强速率载荷）
该部分是承载实际数据内容的部分。
它使用 π/4-DQPSK 或 8DPSK 调制技术，以更高的速率（2 Mbps 或 3 Mbps）传输数据，相比基本速率的 GFSK 更快。
（e）Trailer（结尾段）
Trailer 是 EDR 数据包中用于“优雅地收尾”DPSK 调制段的符号填充区，确保收发双方同步、调制状态切换顺畅，并不承载实际业务数据。
它的具体符号由控制逻辑决定，长度也不是固定的。
| 对比项 | BR | EDR |
|---|---|---|
| 调制方式 | 全程 GFSK | GFSK（前导）+ DPSK（数据） |
| 数据率 | 1 Mbps | 2 Mbps 或 3 Mbps |
| 结构复杂度 | 简单 | 复杂（多字段用于调制转换） |
| 新增字段 | 无 | Guard、Sync、Trailer |
| 应用 | 基本数据传输、语音 | 高速音频、更快文件传输 |
因为 EDR 对带宽的要求比较高，所以在一个数据包中，它使用了两种调制方式。
为了两种调制方式能更好地同步，所以新增加了Guard、Sync、Trailer 字段。
整体而言，BR 与 EDR 在链路层中的数据包格式是相似的。
这是 蓝牙5.0及以上在低功耗通信中引入的一种编码方式，用于扩展通信距离（Long Range 功能）。
它使用前向纠错（FEC）和编码因子 S=2 或 S=8 进行低速率的高可靠通信。
BLE 整个数据包可分为两个部分：
（a）Preamble（前导码）
用于接收端的频率同步和位同步，固定长度为10bit（1010101010），编码后为80 µs，它固定使用 S=8 编码 。
它主要用于无线同步，帮助接收端完成：自动增益控制（AGC）、解调器定时同步、滤波器稳定。
（b）Access Address（接入地址）
长度为 32 bits，编码后为 256 µs 。 每个连接事件中唯一的 32 bit地址。
同时，也用于标识连接和广播事件，如果是广播，通常固定为：0x8E89BED6（广播包）
（c）CI（Coding Indicator）
长度为 2 bits（编码后 16 µs）
作用：
S=2 → 高速传输；S=8 → 高可靠传输（更适合远距离或低信噪比）。（d）TERM1（终止字段1）
长度为 3 bits，编码后 24 µs
作用是：FEC Block 1 的结尾标记，用于接收端同步恢复。
（e）PDU（Protocol Data Unit）
该部分为链路层实际的数据，长度为：1~255 Byte
（f）CRC（循环冗余校验）
CRC 是用作链路层校验，长度为 24 bits，编码后为 24 × S µs
CRC 确保 PDU 数据的完整性。
（g）TERM2（终止字段2）
长度为：3 bits（编码后为 3 × S µs） 它是FEC Block 2 的结尾标志
| 项目 | BLE | EDR |
|---|---|---|
| 用途定位 | 低功耗、低速、远距离通信（如IoT、穿戴设备） | 面向高速数据传输（如音频、文件传输） |
| 调制方式 | GFSK + FEC（S=2或S=8） | GFSK（前导段） + π/4-DQPSK or 8DPSK（有效载荷段） |
| FEC | FEC Block 1 和 Block 2 | 不支持FEC，依靠ARQ重传机制 |
| 同步机制 | 使用 Preamble + Access Address + Coding Indicator + TERM | 使用 Access Code 进行同步 |
| 速率 | 较低，S=8时只有 ~125 kbps，S=2时为 ~500 kbps | 2 Mbps（π/4-DQPSK）或 3 Mbps（8DPSK） |
| 复杂度 | 结构复杂，字段多、时序明确，适配纠错和冗余 | 结构较简单，强调速率优先 |
| 适用场景 | IoT、低功耗传感器、BLE广播、远距离设备通信 | 蓝牙耳机、音频传输、大文件传输 |
| 控制字段 | 有 CI（Coding Indicator）指示调制编码 | 无明确调制指示字段 |
| 数据段 | 属于 FEC Block 2，编码后传输 | 直接使用DPSK调制方式传输 |
在上面链路层数据包格式中，我们看到 BR 与 EDR 的包格式是相似的，它们的数据处理流程也是相似。
它们都有 HEADER 和 PAYLOAD 部分，在数据处理流程中，这两部分又存在差异。
Header 从生成到被接受被解析，需要经过下面一个流程：
TX header → HEC generation → whitening → FEC encoding → RF interface（发送）
→ RF interface（接收）→ decoding → de-whitening → HEC checking → RX header（a）HEC generation（Header Error Check 生成）
在蓝牙 BR/EDR 模式中，链路层包头是18 bit（3字节中的前18位），蓝牙协议为其添加 8 bit的 HEC 校验码，用于 检测头部是否在传输过程中出现比特错误。
HEC generation 的目的:
HEC 有专门的生成算法，对于接收方，接到 Header 后按算法校验即可。
（b） Whitening（数据白化）与 de-whitening
Whitening 是一种数据随机化处理技术，目的是避免数据中出现长时间的 0 或 1 序列，以改善频谱分布、降低误码率，提高抗干扰能力。
数据白化的目的：
减少长时间不变的比特模式（如 00000 或 11111）：
改善频谱平坦性：
避免信道的系统性偏差被数据“触发”：
Whitening 的工作原理:
发送端：蓝牙使用 线性反馈移位寄存器（LFSR） 生成伪随机序列，并将其与原始数据进行 按位异或（XOR），从而达到扰动的目的。
接收端：只需要使用相同的 LFSR 初始化参数，对接收到的数据再次 XOR，即可恢复原始数据（de-whitening）。
数据经过白化之后，也就不会存在多个连续的 0 或是多个连续的 1 了。
（c）FEC encoding（前向纠错编码）
FEC（前向纠错编码）是一种在发送数据时添加冗余信息的技术，以便接收端即使在数据传输中出现部分比特错误，也可以检测并纠正错误，而不必请求重传。
在蓝牙 BR/EDR 模式中，FEC 主要用于增强链路的可靠性，特别是在噪声大、信号弱的环境下。
在 BR/EDR中, FEC encoding 的使用范围是：
| 数据部分 | 使用 FEC | 编码类型 |
|---|---|---|
| Access Code | 是 | 1/3 Rate FEC |
| Header | 是 | 1/3 Rate FEC |
| Payload | 可选 | 1/3 或 2/3 Rate FEC，或不使用 |
蓝牙支两种 FEC 编码方式：
具体编码细节这里不做介绍了，对应于接收端，它需要做的是解码。
（d）RF Interface（射频接口）
RF Interface（射频接口） 是蓝牙协议栈的物理层（PHY）部分，负责将经过编码和调制的数据转换为无线电信号（电磁波）进行无线传输，并在接收端完成反向过程。
RF Interface 发送端的主要任务有：
RF Interface 接收端的主要任务有：
RF Interface 还需要控制发送与接收模式的切换，蓝牙 RF 与 与WiFi 一样，都是半双工工作模式，不能同时收发数据，它们是时分复用的模式。
在 BR/EDR中，包头与负载数据的处理方式大致是相同的，但也存在差异。
在同一个数据包中，为啥要做两种不同的数据处理方式呢？这背后的设计逻辑是：
导航信息，必须保证极高的可靠性，因此强制使用 FEC 和 HEC，即便牺牲带宽。较大区别的是数据加密和CRC校验
（1）CRC → E0
先计算 CRC，再进行 E0 加密
加密流程
解密流程
优点：
缺点：无法抵御主动篡改攻击（bit flipping 攻击）
（1）AES-CCM → CRC
先加密数据，再计算 CRC
加密流程
解密流程
优点：更高的安全性、更强的抗篡改能力
缺点：计算开销较高
这里我们介绍的是BLE PDU（数据负载）部分的数据处理流。
BLE的PDU又因为数据是否使用FEC编码而区分为：BLE Uncoded PHYs 和 BLE coded PHYs
BLE Uncoded PHYs
BLE 使用的加密，就是上面介绍的AES-CCM → CRC，白化过程也相似，不同的是调制模式和 RF 模块 ，这部分前面也已有介绍。
数据加密部分，BLE 与 EDR 之间的区别：
| 对比项 | BLE | EDR |
|---|---|---|
| 加密算法 | AES-CCM（128-bit） | E0 stream cipher（40/56/128bie） |
| 密钥长度 | 固定 128 位（强安全性） | 最长 128 位，早期设备可能是 40 或 56 位 |
| 安全管理协议 | SMP（Security Manager Protocol） | HCI、LMP、Link Manager |
| 加密层级 | 仅加密 链路层 Payload | 加密整个 Baseband 层（基本带帧结构） |
| 加密启动时机 | 连接建立后，主设备发起加密请求 | 连接建立期间协商密钥，立即启用加密 |
| 抗攻击能力 | 强（AES 标准，使用随机数生成密钥） | 中等偏弱（E0 被认为不够强） |
| 防重放攻击 | 有（Nonce + Packet Counter） | 无明显防重放机制 |
| 是否支持认证 | 支持，使用配对和绑定机制 | 支持，使用 PIN 码等验证方式 |
AES-CCM 与 E0 加密的区别
| 特性 | AES-CCM | E0 |
|---|---|---|
| 标准 | NIST 标准对称加密算法 | 蓝牙自定义流密码 |
| 安全性 | 被广泛认为是安全的 | 已经被研究界攻击过多次 |
| 用途 | BLE / Zigbee / LoRa 等标准 | 仅用于蓝牙 EDR Baseband 层 |
BLE coded PHYs 与 BLE Uncoded PHYs 的区别是多加了FEC encoding 和 Pattern mapper 步骤。
（a）FEC encoding
LE Coded PHY 使用的是一种称为 (3,1) 确定性卷积码（deterministic convolutional code），也被称作 Rate 1/3 卷积编码。
核心特征：
（b）Pattern Mapper
Pattern Mapper 的目的是将 FEC 输出的比特流映射为更长的符号序列（spreading pattern）以增强信号可靠性。
Pattern Mapping 的规则：
这些符号不是新的信息位，而是用来占据无线信道，提高解码器从噪声中恢复原始比特的能力。
具体 Pattern Mapping 表：
蓝牙规范定义了一个固定的映射表：
| FEC 比特 | S=2 映射符号模式（2bit） | S=8 映射符号模式（8bit） |
|---|---|---|
| 0 | 01 |
00001111 |
| 1 | 10 |
11110000 |
对于 S=2：
0 ➜ 011 ➜ 10对于 S=8：
0 ➜ 000011111 ➜ 11110000蓝牙模块为了使不可靠的无线信号变为可靠的无线数据通信，在数据包、数据处理流程、信道、协议栈等等方面都做了很多处理。
这里主要介绍了蓝牙信号的干扰，链路层各模式下的数据包组成、数据处理流程，下一章我们将介绍蓝牙的传输层 HCI 。
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