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前言

藍(lán)牙工作在 2.4GHZ ISM 頻段，它與 2.4G WiFi 處于相同的頻段。在經(jīng)典藍(lán)牙與 BLE 藍(lán)牙之間，信道數(shù)、信道帶寬、跳頻機(jī)制、信道用途上都存在很大的區(qū)別。

這里我們將介紹藍(lán)牙的信道、跳頻、以及信道的選擇算法。

（一）經(jīng)典藍(lán)牙信道

經(jīng)典藍(lán)牙信道帶寬 1Mhz，從信道 ch0~ch78，合計共 79 個信道分布在 2400 ~2483.5 MHz（ISM）頻段。

在未連接前，經(jīng)典藍(lán)牙使用的是79個信道中的32個信道進(jìn)行廣播和配對（Inquiry Scan/Page Scan 階段）

配對連接成功之后，則會使用全部 79 個信道，包括控制包和數(shù)據(jù)包都通過這 79 個信道交換。

（1）經(jīng)典藍(lán)牙通道類型

在經(jīng)典藍(lán)牙中，信道分為 5 類：

通道類型	使用的信道數(shù)量	使用的信道編號（示例）	用途說明
Inquiry Scan	32個	0~78中選出的32個	設(shè)備發(fā)現(xiàn)
Page Scan	32個	0~78中選出的32個	等待連接
Basic Piconet	全部79個	0~78（完整跳頻）	正常通信
Adapted Piconet	介于20~79個	從0~78中篩選（AFH調(diào)整）	通信避干擾
Synchronization Scan	1個	單一廣播信道（由廣播端選擇）	同步廣播接收

Inquiry Scan & Page Scan：用于設(shè)備發(fā)現(xiàn)和連接前階段。
Basic/Adapted Piconet：連接后使用，用于正?；蚋蓴_優(yōu)化通信。
Synchronization Scan：專為同步廣播設(shè)計，用于周期性接收廣播數(shù)據(jù)。

（2）Inquiry Scan（發(fā)現(xiàn)設(shè)備）

Inquiry Scan 通道的作用是用于設(shè)備被發(fā)現(xiàn)（被查詢）的場景。

主要特點：

使用32個預(yù)定義的跳頻信道（在79個信道中選出）。
設(shè)備周期性地監(jiān)聽 Inquiry 信號。
當(dāng)其他設(shè)備發(fā)起 Inquiry 請求時，處于 Inquiry Scan 狀態(tài)的設(shè)備會響應(yīng)。
通過該通道，設(shè)備能被發(fā)現(xiàn)，但還未建立連接。

主要適用場景：設(shè)備廣播“我在這”，以供其他設(shè)備查詢時使用。

（3）Page Scan（連接目標(biāo)設(shè)備）

Page Scan 通道的作用是用于設(shè)備等待被連接（被尋呼）的場景。

主要特點：

設(shè)備處于“可連接”狀態(tài)時，周期性地監(jiān)聽特定跳頻上的尋呼信號。
主設(shè)備在這 32 個信道中跳頻發(fā)送 Page 請求
主設(shè)備使用 Page Channel 向從設(shè)備發(fā)起連接。
從設(shè)備在這個通道上掃描尋呼請求。

主要適用的場景：從設(shè)備等待主設(shè)備發(fā)起連接。

（4）Basic Piconet Channel

Basic Piconet Channel是設(shè)備連接成功后，用于主從之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹饕锢硗ǖ馈?/span>

主要特點：

由一個主設(shè)備控制跳頻序列。
所有從設(shè)備跟隨主設(shè)備的跳頻。
使用所有79個信道（0~78）。

主要適用場景是：連接狀態(tài)下的正常通信。

（5）Adapted Piconet Channel

Adapted Piconet 通道是 Basic Piconet 的一個變種，適用于跳頻受限環(huán)境（如 Wi-Fi 干擾）。

主要特點：

用于連接狀態(tài)下通信。
跳頻圖是根據(jù)頻道質(zhì)量評估動態(tài)調(diào)整的（Adaptive Frequency Hopping, AFH）。
跳頻圖會剔除干擾嚴(yán)重的信道。
動態(tài)選擇部分信道（例如剔除干擾頻段，可能只用20~60個）

主要適用場景：存在2.4GHz 環(huán)境有干擾時的通信場景。

（6）Synchronization Scan Channel（同步掃描通道）

Synchronization Scan 通道用于支持同步從設(shè)備（如耳機(jī)、音箱）保持與主設(shè)備的同步，尤其是在廣播傳輸時。

主要特點：：

用于收聽周期性廣播（如 synchronized broadcast）。
從設(shè)備周期性喚醒并監(jiān)聽同步廣播信號。
支持低功耗同步接收。

主要適用場景：單向廣播同步，如廣播音頻等。

（二）BLE 低功耗藍(lán)牙信道

BLE藍(lán)牙為了更好地適應(yīng)低功耗、低成本、小數(shù)據(jù)量傳輸的需求，以便能更好地適配物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，BLE藍(lán)牙在經(jīng)典藍(lán)牙基礎(chǔ)上減少了信道數(shù)、增加了信道寬度。

但 BLE 藍(lán)牙在抗干擾性和數(shù)據(jù)速率方面有做了部分的取舍。

（1）BLE藍(lán)牙信道類型

BLE 藍(lán)牙與經(jīng)典藍(lán)牙都是工作在 2400 ~2483.5 MHz(ISM) 頻段，BLE 藍(lán)牙將 ISM 頻段分為帶寬為 2Mhz 的 ch0~ch39 共 40 個信道。

這 40 個信道編號并不是連續(xù)的。其中37、38、39 為廣播信道，分布在不同的位置。

為何 37、38、39 三個廣播信道會分布在不同位置？

主要原因是藍(lán)牙與 2.4G WiFi處于同一個工作頻段，為了盡可能地避免 WiFi 對藍(lán)牙的干擾，所以將三個廣播信道布置到了 WiFi 信道的"縫隙"中。

上圖可以看出 BLE 的37、38、39 信道，實際是分布在WiFi 1、6、11 信道的"縫隙"處。

WiFi 信道相關(guān)的知識可以查看之前 WiFi 系列文章中的《WiFi基礎(chǔ)(二)：最新WiFi信道、無線OSI模型與802.11b/g/n》

當(dāng)藍(lán)牙與 WiFi 在同一個空間工作時，從頻譜圖中可以明顯地看到藍(lán)牙的廣播信道頻譜。

隨著時間的變化，也可以看到一段時間上各信道的利用率。其中藍(lán)牙廣播信道的使用率還是挺高。

（2）經(jīng)典 VS BLE 藍(lán)牙信道

藍(lán)牙技術(shù)的發(fā)展從 BR/EDR（Basic Rate/Enhanced Data Rate） 到 BLE（Bluetooth Low Energy），其物理信道數(shù)量由 79個（在BR/EDR中）減少為 40個（在BLE中），在功耗、成本、信道重疊上有優(yōu)勢，但在吞吐量、抗干擾方面又有明顯不足。

BLE 藍(lán)牙信道優(yōu)勢：

簡化射頻設(shè)計：2 MHz 寬度、40 個信道更適合低成本實現(xiàn)。
更快建立連接：3 個固定廣播信道，有利于快速掃描與連接。
節(jié)能優(yōu)化：信道規(guī)劃簡化通信過程，有助于降低功耗。
減少與Wi-Fi干擾：合理分布的信道避免與 Wi-Fi 常用信道沖突。

BLE 藍(lán)牙信道劣勢：

抗干擾能力略弱：跳頻范圍變窄，在復(fù)雜無線環(huán)境下易受影響。
最大吞吐量較低：不適合大數(shù)據(jù)量或高質(zhì)量音頻/視頻傳輸（不過BLE Audio在BLE 5.2中已部分改進(jìn)）。
兼容性問題：早期BLE設(shè)備不支持BR/EDR，應(yīng)用需要按場景選擇。

簡而言之就是：經(jīng)典藍(lán)牙使用 1Mhz 帶寬 79 信道，BLE 使用2Mhz 帶寬 40 信道。BLE 藍(lán)牙減少了信道數(shù)、增加了信道寬度，使得BLE藍(lán)牙在低功耗、低成本、小數(shù)據(jù)量傳輸中占據(jù)優(yōu)勢，但在抗干擾性和數(shù)據(jù)速率方面又有所犧牲。

（三）跳頻技術(shù)

為了提高通信的抗干擾和提升頻譜的利用率，藍(lán)牙使用了 FHSS 和 AFH 跳頻技術(shù)

（1）FHSS 跳頻擴(kuò)頻（Frequency Hopping Spread Spectrum）

藍(lán)牙從一開始的1.0版本就有使用跳頻技術(shù)，當(dāng)時使用的是 FHSS 技術(shù)。

FHSS 是一種擴(kuò)頻技術(shù)，它通過在多個頻率信道間快速切換（跳頻）來發(fā)送數(shù)據(jù)，從而提高抗干擾能力和通信安全性。

FHSS 跳頻擴(kuò)頻的優(yōu)點

抗干擾能力強(qiáng)：跳頻特性使信號不在一個頻率上長時間停留，能規(guī)避某些短時干擾。
提高通信安全性：頻率不斷變化，監(jiān)聽者難以持續(xù)跟蹤完整的數(shù)據(jù)流，提高抗監(jiān)聽能力。
抗多徑效應(yīng)：跳頻可以避免由于多徑效應(yīng)導(dǎo)致的某一頻率點的嚴(yán)重衰減。
實現(xiàn)簡單、成本低：在早期硬件平臺上易于實現(xiàn)，對處理器和協(xié)議要求較低。

FHSS 跳頻擴(kuò)頻的缺點：

容易跳入受干擾信道：跳頻是隨機(jī)或偽隨機(jī)的，可能跳到被 Wi-Fi 或其他設(shè)備強(qiáng)干擾的頻率上，影響通信質(zhì)量。
無適應(yīng)能力：不能根據(jù)環(huán)境自動優(yōu)化跳頻序列，效率低于后來的自適應(yīng)跳頻技術(shù)。
頻譜利用率不高：所有信道都參與跳頻，即使某些信道質(zhì)量很差，也仍可能使用。

（2）AFH 自適應(yīng)跳頻（Adaptive Frequency Hopping ）

雖然 FHSS 能提高抗干擾能力，但在 2.4 GHz 頻段中，有很多其他設(shè)備（如 Wi-Fi、微波爐、Zigbee）也在使用相鄰或相同頻率，可能造成干擾。

為了解決該問題，從 藍(lán)牙 1.2 開始，引入了 AFH 技術(shù)

AFH 的核心思想是：

AFH 會檢測信道質(zhì)量，自動將受干擾嚴(yán)重或質(zhì)量差的信道從跳頻序列中排除，只在“良好信道”之間跳頻，從而提升通信質(zhì)量。

AFH 自適應(yīng)跳頻的優(yōu)點：

避開干擾頻率：自動檢測和屏蔽受干擾或高誤碼率的信道，顯著提高通信穩(wěn)定性和吞吐率。
與 Wi-Fi 等共存能力強(qiáng)：能主動避開 Wi-Fi 使用的 2.4GHz 頻段（如信道 1、6、11），減少藍(lán)牙與 Wi-Fi 的沖突。
動態(tài)適應(yīng)能力強(qiáng)：能根據(jù)實時環(huán)境變化，更新跳頻序列，應(yīng)對移動設(shè)備和復(fù)雜無線環(huán)境。
提高實際傳輸效率：由于減少了因信道干擾而導(dǎo)致的重傳，提升了有效數(shù)據(jù)速率。

AFH 自適應(yīng)跳頻的缺點

實現(xiàn)更復(fù)雜：需要主設(shè)備監(jiān)測信道質(zhì)量、動態(tài)維護(hù)信道列表，增加了協(xié)議棧復(fù)雜度和資源消耗。
依賴主從協(xié)同跳頻：主設(shè)備做決策并同步從設(shè)備，若同步失效，通信會中斷。
受限于信道總數(shù)減少：剔除“壞信道”后，可用信道減少，可能導(dǎo)致頻譜利用率下降、跳頻圖變得不均勻。

FHSS 與 AFH的應(yīng)用

在經(jīng)典藍(lán)牙中，設(shè)備剛連接上時，使用的是Basic Piconet Channel 通道進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，實際使用的是 FHSS 跳頻機(jī)制在0~79信道之間跳轉(zhuǎn)。

如果開啟了AFH功能，藍(lán)牙模塊會去檢測信道的質(zhì)量，將質(zhì)量不好的信道剔除，也就是Adapted Piconet Channel 信道。它使用的是BR/EDR 80個信道中的部分信道進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

在藍(lán)牙中，生成跳頻序列的算法有兩種：

Channel Selection Algorithm #1（CSA#1）
Channel Selection Algorithm #2（CSA#2）

下面我們介紹這兩種算法在BLE中的使用。

（四）信道選擇算法

在BLE通信中，設(shè)備通過跳頻（Frequency Hopping）在多個數(shù)據(jù)通道之間切換，以減少干擾并提高通信可靠性。

CSA#1和CSA#2定義了數(shù)據(jù)包應(yīng)跳轉(zhuǎn)到哪個通道。

（1）CSA#1 （Channel Selection Algorithm #1）

CSA#1 是藍(lán)牙早期版本（如 Bluetooth 4.0 及之前）中使用的信道選擇算法。

特點：

基于事件計數(shù)器（Event Counter）。
線性跳頻：通過一個簡單的公式，在37個數(shù)據(jù)通道中進(jìn)行偽隨機(jī)跳變。
不可自適應(yīng)：無法避開存在干擾的信道。

跳頻的公式為：

channel_index = (event_counter + hop_increment) % 37

hop_increment 為配對時選定的跳頻因子（范圍是1~36，不能被37整除）

上圖可以看出CSA#1算法跳頻的線性變化。

CSA#1優(yōu)勢：

實現(xiàn)簡單： 算法邏輯相對簡單，計算量低，適合資源受限的設(shè)備（如低端MCU）。
兼容性強(qiáng)： 是 BLE 4.0/4.1 的默認(rèn)跳頻算法，幾乎所有 BLE 設(shè)備都支持。
跳頻快速： 跳頻速度快，延遲小，有助于低延遲通信。

CSA#1劣勢：

跳頻模式較為可預(yù)測，安全性較低。
容易受干擾，因為不能跳過信號質(zhì)量差的通道。
在高干擾環(huán)境（如 Wi-Fi 重疊）下表現(xiàn)較差。

（2）CSA#2 （Channel Selection Algorithm #2）

CSA#2 算法在藍(lán)牙5.0 之后版本廣泛使用，旨在提高藍(lán)牙的抗干擾性和安全性。

特點：

更加隨機(jī)、抗干擾性更強(qiáng)。
支持信道映射表（Channel Map），跳過受干擾的通道。
基于AES-like加擾運(yùn)算：提高安全性和隨機(jī)性。

算法大致流程：

使用一個 event_counter 和 access_address 作為種子，經(jīng)過非線性變換（例如基于 AES 的混淆函數(shù)）生成一個偽隨機(jī)數(shù)。
將該偽隨機(jī)數(shù)對可用通道數(shù)量取模，得到目標(biāo)信道索引。
使用當(dāng)前的 信道映射表（channel map）來找出實際要跳轉(zhuǎn)的通道。

從上圖可以看出，使用CSA#2之后，信道跳轉(zhuǎn)是非線性的。

CSA#2優(yōu)勢：

抗干擾能力強(qiáng)： 使用 AES 加密生成偽隨機(jī)跳頻序列，難以預(yù)測，抗干擾性和安全性大幅提升。
頻譜使用均勻： 所有可用頻道使用更均勻，避免某些頻道過度使用，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。
安全性更高： 序列與連接參數(shù)相關(guān)，外部無法預(yù)測，有助于防止干擾和嗅探攻擊。
支持動態(tài)黑名單： 可以動態(tài)地排除受干擾的頻道（結(jié)合 Adaptive Frequency Hopping, AFH）。

CSA#2缺點：

實現(xiàn)復(fù)雜： 依賴加密算法（如 AES-128），計算復(fù)雜度高，對硬件資源有更高要求。
兼容性要求更高： 舊設(shè)備（BLE 4.0/4.1）可能不支持 CSA#2，需協(xié)商降級使用 CSA#1。
稍微增加功耗： 計算量增大可能略微提升能耗，尤其是在資源緊張的低功耗設(shè)備中。

CSA#1 VS CSA#2

特性	CSA#1	CSA#2
引入版本	BLE 4.0/4.1	BLE 4.2（廣泛用于 BLE 5.0+）
抗干擾能力	一般	強(qiáng)
跳頻序列可預(yù)測性	高（易預(yù)測）	低（偽隨機(jī)）
計算復(fù)雜度	低	高（需要加密運(yùn)算）
實現(xiàn)簡易性	簡單	較復(fù)雜
通道使用均勻性	差	好
兼容性	與所有 BLE 設(shè)備兼容	需要 BLE 4.2 及以上設(shè)備支持