藍(lán)牙6.0核心規(guī)范-Vol 1-LE中的事件及其工作流程

上一篇我們說(shuō)到了LE的物理信道被細(xì)分為時(shí)間單位，稱為事件：events。這一系列的事件，指的就是數(shù)據(jù)在LE設(shè)備之間以數(shù)據(jù)包的形式傳輸，或者說(shuō)數(shù)據(jù)包被放置在這些事件中。本篇我們通過(guò)這些事件，來(lái)了解藍(lán)牙LE的工作流程。

01、LE中的Events

仍然會(huì)用到上一篇中提到的基本概念，包括Advertiser、Initiator、Scanner。藍(lán)牙6.0核心規(guī)范-Vol 1（網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/a>）。

2.?Connection events（連接事件）。在LE中除了Advertising相關(guān)的事件，還有connection事件。如果說(shuō)，是在兩個(gè)或多個(gè)設(shè)備之間進(jìn)行單向或廣播通信時(shí)，LE 設(shè)備可使用advertising events完成整個(gè)通信。但如果要建立connection，就還可以使用advertising events與另一個(gè)設(shè)備建立雙向連接，例如asynchronous（異步）或isochronous periodic broadcasts（等時(shí)周期性廣播）。

異步（asynchronous）定期廣播可以讓advertiser接收來(lái)自一個(gè)或多個(gè)設(shè)備的響應(yīng)，使用的是通用信道?！爱惒健?指的是數(shù)據(jù)包的發(fā)送時(shí)間不固定，適用于無(wú)需嚴(yán)格時(shí)間同步的場(chǎng)景，例如一般的廣播消息、物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備狀態(tài)更新等。而Isochronous可翻譯為“等時(shí)”，簡(jiǎn)寫為ISO或者I?！暗葧r(shí)”的意思就是數(shù)據(jù)傳輸嚴(yán)格按照預(yù)定的時(shí)間間隔進(jìn)行，確保低延遲和穩(wěn)定的傳輸速率。主要用于對(duì)時(shí)延敏感的應(yīng)用，如藍(lán)牙LE Audio（低功耗音頻），其中多臺(tái)設(shè)備（如耳機(jī)或助聽(tīng)器）需要同步接收音頻數(shù)據(jù)。

在藍(lán)牙5.2版本新增的feature中就包括Isochronous Channel（等時(shí)信道），在6.0新增的feature中，又包括了ISOAL（Isochronous Adaptation Layer：等時(shí)適配層）的增強(qiáng)功能。Isochronous事件又細(xì)分為BIS, BIG, CIS, 和CIG事件。

BIS：Broadcast Isochronous Stream；廣播等時(shí)流BIG：Broadcast Isochronous Group；廣播等時(shí)組CIS：Connected Isochronous Stream；連接等時(shí)流CIG：Connected Isochronous Group；連接等時(shí)組

如果advertiser使用的是可連接廣告事件，連接發(fā)起設(shè)備（Initiator）可使用接收可連接廣播數(shù)據(jù)包的同一廣播物理信道發(fā)出連接請(qǐng)求。如果advertiser收到并接受了連接請(qǐng)求，則廣播事件結(jié)束，連接事件開(kāi)始。一旦建立連接，發(fā)起設(shè)備就成為Piconet中的中心設(shè)備C，如下圖所示，而advertiser設(shè)備則成為外圍設(shè)備。連接事件就是在中心和外圍設(shè)備之間發(fā)送數(shù)據(jù)包。每個(gè)連接事件開(kāi)始時(shí)都會(huì)發(fā)生信道跳轉(zhuǎn)，中心設(shè)備和外圍設(shè)備使用相同的數(shù)據(jù)物理信道交替發(fā)送數(shù)據(jù)包，如下圖中的C->P，P->C，中心設(shè)備啟動(dòng)每個(gè)連接事件的開(kāi)始，并可隨時(shí)結(jié)束每個(gè)連接事件。

在一個(gè)piconet中的設(shè)備使用一種特定的跳頻模式，是由連接發(fā)起設(shè)備發(fā)送的連接請(qǐng)求中的字段算法確定的。

LE數(shù)據(jù)通道上使用的跳頻模式是ISM頻段中37個(gè)頻率的偽隨機(jī)排序。

在channel sounding程序中使用的跳頻模式是ISM頻段中72個(gè)頻率的偽隨機(jī)排序。

跳頻模式可以進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整，以排除被干擾設(shè)備使用的部分頻率。外圍設(shè)備可以將頻率分類為良好頻率和不良頻率，并將該信息提供給中心設(shè)備。中央設(shè)備可以在調(diào)整跳頻模式時(shí)考慮這些信息。

3.?CIS事件。通過(guò)使用ACL連接，中心設(shè)備可以建立一個(gè)或多個(gè)使用isochronous等時(shí)物理信道的等時(shí)連接。等時(shí)連接用于通過(guò)一個(gè)邏輯傳輸，即CIS（連接的等時(shí)流）在中心和外圍設(shè)備之間傳輸?shù)葧r(shí)數(shù)據(jù)。一個(gè)CIS由在固定ISO間隔發(fā)生的CIS事件組成。每個(gè)CIS事件包含一個(gè)或多個(gè)子事件。在每個(gè)子事件中，中心設(shè)備傳輸一次數(shù)據(jù)，外設(shè)響應(yīng)。每個(gè)子事件使用一個(gè)由信道選擇算法確定的物理信道，如下圖所示。

4.?BIS事件。無(wú)連接的等時(shí)邏輯傳輸稱為廣播等時(shí)流（BIS）。一個(gè)BIS由在固定ISO間隔發(fā)生的BIS事件組成。每個(gè)BIS事件包含一個(gè)或多個(gè)子事件。在每個(gè)子事件中，廣播設(shè)備傳輸一個(gè)等時(shí)數(shù)據(jù)包。物理信道仍由信道選擇算法確定。多個(gè)BIS事件共同形成一個(gè)BIG事件。下圖顯示了兩個(gè)BIG事件：一個(gè)有控制子事件，另一個(gè)沒(méi)有控制子事件。

5.?Channel sounding事件。設(shè)備可以使用LE Channel sounding（信道探測(cè)，簡(jiǎn)稱CS）物理鏈路交換信息，這些信息是用于后續(xù)的距離估計(jì)計(jì)算。事件過(guò)程如下：

第一次CS事件會(huì)從ACL連接事件的錨點(diǎn)偏移開(kāi)始。

CS過(guò)程僅在有限的時(shí)間內(nèi)存在，包含CS事件、子事件和Steps。

CS事件可能包含一個(gè)或多個(gè)子事件。

CS子事件包含兩個(gè)或更多CS steps。

CS steps包含發(fā)起方initiator和反射方reflector之間的雙向交換，稱為CS peers（對(duì)等體）。

CS發(fā)起方在每個(gè)step中首先發(fā)送數(shù)據(jù)，隨后是CS反射方的一個(gè)或多個(gè)傳輸。這些傳輸可以是基于packet的GFSK調(diào)制交換，或者基于tone的ASK（幅度偏移鍵控）調(diào)制交換，或者兩者兼有。

CS事件和子事件的一般結(jié)構(gòu)如下圖所示：

每個(gè)CS Step中的交換包含了用于測(cè)量的信息。這些測(cè)量結(jié)果可以進(jìn)一步處理來(lái)生成距離估計(jì)信息。除此之外，還將攜帶與安全相關(guān)的信息，這有助于檢測(cè)試圖間接操控測(cè)量結(jié)果的外部攻擊者，但同時(shí)也可能會(huì)影響到距離估計(jì)。CS Step交換使用的物理信道是通過(guò)信道選擇算法確定的。對(duì)于CS而言，信道選擇算法以及其他與安全相關(guān)的信息是通過(guò)確定的隨機(jī)bit生成器（DRBG：Deterministic Random Bit Generator）生成。那么這些DRBG的安全密鑰信息僅僅由各自的發(fā)起方和反射方設(shè)備知曉。

因此，有關(guān)藍(lán)牙6.0中新增的關(guān)鍵的測(cè)距功能：channel sounding，是否會(huì)存在安全隱患呢？DRBG似乎是一個(gè)解決方案，但效果如何還需拭目以待。

02、LE Event中使用的物理信道

上面的諸多事件中都多次提到了物理信道的概念。這里來(lái)總結(jié)一下：

與BR/EDR一樣，LE設(shè)備的物理射頻信道也在未授權(quán)的2.4 GHz ISM頻段內(nèi)工作。LE 采用的多址接入方案有： 頻分多址（FDMA）和時(shí)分多址（TDMA）。在基于TDMA的輪詢方案中，一個(gè)設(shè)備在預(yù)定時(shí)間發(fā)送數(shù)據(jù)包，相應(yīng)設(shè)備在預(yù)定時(shí)間間隔后響應(yīng)數(shù)據(jù)包。FDMA方案是為了傳輸數(shù)據(jù)，其使用了40個(gè)物理信道，中心頻率為2402 MHz至2480 MHz，間隔為2 MHz。其中3個(gè)用作主廣播信道，37個(gè)用作通用信道（包括次級(jí)廣播信道）。

而支持CS的LE系統(tǒng)使用72個(gè)物理射頻信道進(jìn)行CS數(shù)據(jù)，交換間隔為1 MHz。?這些射頻信道的中心頻率為（2402 + k）MHz，其中k為2至22和26至76之間的整數(shù)。如下表所示，也就是說(shuō)支持CS的物理射頻信道，中心頻點(diǎn)從2404MHz開(kāi)始，間隔1MHz，直到2424MHz，中間2425MHz～2427MHz的3個(gè)信道不允許使用，然后再?gòu)?428MHz開(kāi)始，間隔1MHz，直到2478MHz。總共可使用的信道數(shù)為72個(gè)。

與BR/EDR一樣，LE也同樣采用跳頻收發(fā)器來(lái)對(duì)抗干擾。LE也是采用GFSK調(diào)制以最大限度地降低收發(fā)器的復(fù)雜性。但不同于BR/EDR所使用的GFSK。頻偏不同，BT值也可能不同。編碼以及由此產(chǎn)生的數(shù)據(jù)速率也有不同。如下表所示：

S=2，其中2個(gè)符號(hào)代表1比特，因此支持500kb/s的比特率；

S=8，其中8個(gè)符號(hào)代表1比特，因此支持125kb/s的比特率；

可選支持2Msym/s的符號(hào)速率，其比特率為2 Mb/s，這種模式稱為 LE 2M PHY，并使用帶寬-符號(hào)時(shí)間積（BT）為 0.5；

可選支持另一種2Msym/s的符號(hào)速率，該模式使用BT值為 2.0，專用于距離估算（用于Channel sounding），稱為 LE 2M 2BT物理層；

2Msym/s的符號(hào)速率僅支持uncoded數(shù)據(jù)；

對(duì)于Channel sounding而言，還額外使用了ASK調(diào)制來(lái)采集距離估計(jì)信息。