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蓝牙低功耗（BLE）的通信信道和包类型

web 2025/8/16 22:51:12

概述

1. 广播信道包（Advertising Channel PDU）

1.1 广播信道

1.2 广播类型

2. 数据信道包（Data Channel PDU）

2.1 数据包（LL Data PDU）

2.2 控制包（LL Control PDU）

3. 扫描与连接请求包

4. BLE 5.0+ 新增包类型

5. 包类型应用场景示例

总结

概述

本文主要介绍蓝牙低功耗（BLE）的通信信道和包类型。蓝牙低功耗（BLE）技术在2.4GHz ISM频段工作，使用40个物理信道，其中3个为广播信道，37个为数据信道。广播信道用于设备发现、连接建立和广播通信，分布在频段两端和中间以减少Wi-Fi干扰。广播包在3个信道上重复发送以提高可靠性。数据信道用于已连接设备间的数据通信，采用自适应跳频技术选择信道。BLE支持多种广播类型，如可连接的非定向广播、定向广播、不可连接广播等，适用于不同场景。数据包和控制包用于传输应用层数据和管理连接。BLE5.0引入了增强特性，如双倍速率和长距离模式，扩展了广播信道的使用。理解BLE包类型对于优化设备功耗、连接稳定性和数据传输效率至关重要。开发者应根据应用场景选择合适的广播类型，并通过控制包动态调整连接参数。

1. 广播信道包（Advertising Channel PDU）

BLE工作在2.4GHz ISM频段(2402-2480MHz)，共使用40个物理信道，信道间隔为2MHz：

3个广播信道：用于设备发现、连接建立和广播通信
37个数据信道：用于已连接设备间的数据通信

1.1 广播信道

信道编号	中心频率(MHz)	主要用途
37	2402	广播/扫描
38	2426	广播/扫描
39	2480	广播/扫描

特点：

专门用于无连接通信
分布在频段两端和中间，减少Wi-Fi干扰(特别是避开Wi-Fi信道1,6,11)
所有广播包都在这3个信道上重复发送，提高可靠性

信道参数

参数	说明	典型值
信道带宽	每个信道占用带宽	2MHz
调制方式	物理层调制	GFSK
数据速率	传输速率	1Mbps(4.2+支持2Mbps)
发射功率	信号强度	-20dBm到+10dBm

信道选择算法

BLE使用自适应跳频技术，通过以下算法选择数据信道：

信道映射：主从设备协商可用信道
跳频序列：基于连接句柄(Connection Handle)和跳频增量计算
跳频间隔：每个连接事件跳至新信道(默认间隔30ms)

跳频公式：

next_channel = (last_channel + hop_increment) mod 37

其中hop_increment为5-16之间的随机值

1.2 广播类型

用于设备发现、连接建立和广播数据传输，工作于 3 个固定广播频道（37, 38, 39）。

类型	名称	用途
ADV_IND	可连接的非定向广播	允许任何设备扫描并发起连接（如智能手环广播自身存在）。
ADV_DIRECT_IND	定向广播	仅向特定设备（已知 MAC 地址）发起快速连接，减少扫描时间。
ADV_NONCONN_IND	不可连接广播	仅广播数据，不接受连接（如 Beacon 设备持续发送位置信息）。
ADV_SCAN_IND	可扫描广播	允许扫描设备请求附加数据（扫描设备发送 `SCAN_REQ` 后回复 `SCAN_RSP`）。
ADV_EXT_IND (BLE 5+)	扩展广播	支持更长广播数据（最多 1650 字节）和多种 PHY（如 LE Coded PHY）。

广播包结构：

| 前导码 (1B) | 访问地址 (4B) | PDU (2-257B) | CRC (3B) |

2. 数据信道包（Data Channel PDU）

在连接建立后使用，工作于 37 个自适应跳频数据频道，包含 数据包 和 控制包。

2.1 数据包（LL Data PDU）

用途：传输应用层数据（如传感器读数、ATT 协议读写操作）。
类型：
- LL_DATA：普通数据负载（最大 251 字节）。
- LL_ENC_DATA：加密数据（启用链路层加密后使用）。

2.2 控制包（LL Control PDU）

类型	功能
`LL_CONNECTION_UPDATE_REQ`	主设备请求更新连接参数（间隔、延迟、超时）。
`LL_CHANNEL_MAP_REQ`	主设备更新信道映射表（避开干扰频段）。
`LL_TERMINATE_IND`	通知对端设备终止连接。
`LL_ENC_REQ` / `LL_ENC_RSP`	协商加密参数（启动链路层加密）。

数据包结构：

| 前导码 (1B) | 访问地址 (4B) | LL Header (2B) | 载荷 (0-251B) | CRC (3B) | MIC (4B, 加密时添加) |

3. 扫描与连接请求包

类型	方向	用途
`SCAN_REQ`	扫描设备 → 广播设备	请求广播设备发送附加信息（触发 `SCAN_RSP`）。
`SCAN_RSP`	广播设备 → 扫描设备	回复扫描请求，携带额外广播数据（如设备名称、服务 UUID）。
`CONNECT_REQ`	主设备 → 从设备	发起连接请求，包含初始连接参数（间隔、信道映射、跳频算法等）。

4. BLE 5.0+ 新增包类型

类型	功能
`AUX_ADV_IND`	辅助广播包，用于扩展广播链式传输。
`AUX_CHAIN_IND`	扩展广播数据的分片传输（支持大数据广播）。
`AUX_SYNC_IND` (Periodic)	周期性广播同步包，用于时间同步场景（如室内定位）。

BLE 5.0增强特性

2M PHY：双倍速率(2Mbps)，使用相同信道

Coded PHY：长距离模式(125Kbps/500Kbps)

广播信道扩展：可选使用全部40个信道广播

5. 包类型应用场景示例

智能家居：
- 灯泡通过 ADV_NONCONN_IND 广播状态，手机通过 SCAN_REQ 获取详情后发起连接。
- 连接后使用 LL_DATA 包发送开关指令。
医疗设备：
- 心率带通过 ADV_IND 广播，手机连接后持续接收加密的 LL_ENC_DATA 包。
- 主设备通过 LL_CONNECTION_UPDATE_REQ 优化传输间隔以降低功耗。
Beacon 定位：
- 使用 ADV_EXT_IND 发送扩展广播数据（位置坐标、商户信息）。