蓝牙学习二（连接和通讯简述）

1.简介

        蓝牙的通信是双向的，为了创建和维护一个BLE通信连接，在蓝牙中引入了“角色”这一概念，一个BLE设备不是主机（集中器）就是从机（外围设备）角色，这是根据是谁发起这个连接来确定的。主机（集中器）设备总是连接的发起者，而从机（外围设备）总是被连接者。整个访问与连接过程都是在GAP（Generic Access Profile-通用访问规范）进行实现的。

2.从机广播

        从机要被主机连接，那么它就必须先被主机发现。这个时候，从机设备把自身信息通过广播的形式发射出去。

        比如设备A需要先进行广播，即设备A（Advertiser）不断发送广播信号，t 为广播间隔。每发送一次广播包，我们称为一次广播事件（advertising event），因此 t 也称为广播事件间隔。广播事件时间是一段一段的，每次都会持续一段时间，蓝牙芯片也只有在广播事件期间才会打开射频模块发射广播，这个时间功耗比较高（几十毫安），其余时间蓝牙芯片都处于idle待机状态，因此平均功耗就非常低（几微安）。

        当广播发出的时候，每个广播事件包含了三个广播包，分别在37/38/39三个广播信道上进行发送。广播的内容是相同的。下图observer为主机观察者，advertiser就是从机广播者。

 3.主机扫描

        设备A不断发送广播给主机（Observer），如果主机不开启扫描窗口，是收不到设备A的广播的。主机不但要开启射频接收窗口，而且主机的射频接收窗口要跟从机的广播发送窗口匹配才行。由于这种配对成功时一个概率事件，所以手机扫到设备A也是一个概率事件。也就是说，从机（Advertiser）可能很快就被主机（Observer）发现，也有可能从机（Advertiser）要很久才能被主机（Observer）发现。

        下图表示了主机主动扫描广播的过程：

        主机设置自身的扫描参数，设置成功后，控制器根据设置参数开启扫描窗口。当控制器收到扫描数据包后，向主机发送给一个广播报告事件（adv_report），该事件同样包括了链路层数据包的广播类型。因此，主机能够判断对端设备是否可以连接或扫描，并且区分出广播数据包和扫描响应数据包。

 

4.被动扫描

        既然有主动扫描，当然也就有被动扫描。在被动扫描中，扫描者设备应该仅仅去监听广播包，而不向广播者设备发送任何数据。

        一旦上面的扫描参数设置完毕，主机就可以启动扫描。如果控制器接收到的符合过滤策略和其他规划的广播数据包，则发送一个Advertising Report事件给主机。除了广播者的设备地址外，报告事件还包括广播数据包中的数据，以及接收广播数据包时的信号接收强度。可以利用该信号强度以及位于广播数据包中的发射功率，共同确定信号的路径损失，从而给出大致的范围，这个应用就是防丢器和蓝牙定位。被动扫描不需要向主机发送任何数据。

        下图为被动扫描广播的过程：

5.建立连接

        手机（主机）在收到A1广播包ADV_IND后，以此为初始点，T_IFS时间后，给Advertiser（从机）发送一个connection request命令，即A2数据包，告诉advertiser（从机）将要进行连接，做好准备。Advertiser（从机）根据connect_req命令信息做好接收准备。connect_req其实就是告诉advertiser手机（主机）将在Transmit Window期间发送第一个同步包（P1），请advertiser（从机）在这段时间内打开接收窗口。设备B收到P1后，T_IFS时间后将给手机（主机）回复数据包P2。一旦手机（主机）收到数据包P2，连接即认为建立成功。后续手机（主机）将以P1为锚点（原点），Connection Interval为周期，周期性地给设备B发送Packet。

 6.发送与接收数据

        连接成功后，主机和从机在每一个connection interval开始的时候，都必须交互一次，即主机给从机发一个包，从机再给主机发一个包。整个交互过程被称为一个connection event。蓝牙芯片只有在connection event期间才把射频模块打开，此时功耗比较高，其余时间蓝牙芯片都处于idle状态，因此平均功耗非常低。

        主机不可能时时刻刻都有数据给从机，所以主机大部分时间都是发的空包（empty packet）给从机。同样从机也不是时时刻刻都有数据给主机。因此从机回复给主机的包，大部分也是空包。另外，一个connection event期间，主机可以发多个包给从机，以提高吞吐率（IOS一个连接间隔最多交互4次，安卓一个连接间隔最多交互6次）。综上所述，连接成功后的通信时序图如下：

        图中，主从数据发送的数据包TX和RX表示方向性的数据通道，也就是蓝牙的空中属性，空中操作时间都是采用蓝牙操作句柄来进行的。因为句柄能够唯一表示各个属性。空中特性的性质包括：

从机->主机方向：

• 通知：从机端上报数据给主机，不需要主机回复一个响应
• 指示：从机端上报数据给主机，需要主机端回复一个确认
• 通知和指示之间不同之处在于指示有应用层上的确认，而通知没有。

主机->从机方向：

• 写
• 没有回应的写
• 读