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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(jì)共 79 個(gè)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(gè)信道中的32個(gè)信道進(jìn)行廣播和配對(duì)（Inquiry Scan/Page Scan 階段）

配對(duì)連接成功之后，則會(huì)使用全部 79 個(gè)信道，包括控制包和數(shù)據(jù)包都通過(guò)這 79 個(gè)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(hào)（示例）	用途說(shuō)明
Inquiry Scan	32個(gè)	0~78中選出的32個(gè)	設(shè)備發(fā)現(xiàn)
Page Scan	32個(gè)	0~78中選出的32個(gè)	等待連接
Basic Piconet	全部79個(gè)	0~78（完整跳頻）	正常通信
Adapted Piconet	介于20~79個(gè)	從0~78中篩選（AFH調(diào)整）	通信避干擾
Synchronization Scan	1個(gè)	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(jì)，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(chǎng)景。

主要特點(diǎn)：

使用32個(gè)預(yù)定義的跳頻信道（在79個(gè)信道中選出）。
設(shè)備周期性地監(jiān)聽(tīng) Inquiry 信號(hào)。
當(dāng)其他設(shè)備發(fā)起 Inquiry 請(qǐng)求時(shí)，處于 Inquiry Scan 狀態(tài)的設(shè)備會(huì)響應(yīng)。
通過(guò)該通道，設(shè)備能被發(fā)現(xiàn)，但還未建立連接。

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

主要特點(diǎn)：

設(shè)備處于“可連接”狀態(tài)時(shí)，周期性地監(jiān)聽(tīng)特定跳頻上的尋呼信號(hào)。
主設(shè)備在這 32 個(gè)信道中跳頻發(fā)送 Page 請(qǐng)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(gè)通道上掃描尋呼請(qǐng)求。

主要適用的場(chǎng)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(diǎn)：

由一個(gè)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(gè)信道（0~78）。

主要適用場(chǎng)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(gè)變種，適用于跳頻受限環(huán)境（如 Wi-Fi 干擾）。

主要特點(diǎn)：

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

主要適用場(chǎng)景：存在2.4GHz 環(huán)境有干擾時(shí)的通信場(chǎng)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(shí)。

主要特點(diǎn)：：

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

主要適用場(chǎng)景：?jiǎn)蜗驈V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(gè)信道。

這 40 個(gè)信道編號(hào)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(gè)廣播信道會(huì)分布在不同位置？

主要原因是藍(lán)牙與 2.4G WiFi處于同一個(gè)工作頻段，為了盡可能地避免 WiFi 對(duì)藍(lán)牙的干擾，所以將三個(gè)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(shí)際是分布在WiFi 1、6、11 信道的"縫隙"處。

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

當(dāng)藍(lán)牙與 WiFi 在同一個(gè)空間工作時(shí)，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(shí)間的變化，也可以看到一段時(shí)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(gè)（在BR/EDR中）減少為 40個(gè)（在BLE中），在功耗、成本、信道重疊上有優(yōu)勢(shì)，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(shì)：

簡(jiǎn)化射頻設(shè)計(jì)：2 MHz 寬度、40 個(gè)信道更適合低成本實(shí)現(xiàn)。
更快建立連接：3 個(gè)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(jiǎn)化通信過(guò)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(shì)：

抗干擾能力略弱：跳頻范圍變窄，在復(fù)雜無(wú)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(guò)BLE Audio在BLE 5.2中已部分改進(jìn)）。
兼容性問(wèn)題：早期BLE設(shè)備不支持BR/EDR，應(yīng)用需要按場(chǎng)景選擇。

簡(jiǎn)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(shì)，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(kāi)始的1.0版本就有使用跳頻技術(shù)，當(dāng)時(shí)使用的是 FHSS 技術(shù)。

FHSS 是一種擴(kuò)頻技術(shù)，它通過(guò)在多個(gè)頻率信道間快速切換（跳頻）來(lái)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(diǎn)

抗干擾能力強(qiáng)：跳頻特性使信號(hào)不在一個(gè)頻率上長(zhǎng)時(shí)間停留，能規(guī)避某些短時(shí)干擾。
提高通信安全性：頻率不斷變化，監(jiān)聽(tīng)者難以持續(xù)跟蹤完整的數(shù)據(jù)流，提高抗監(jiān)聽(tīng)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(diǎn)的嚴(yán)重衰減。
實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、成本低：在早期硬件平臺(tái)上易于實(shí)現(xiàn)，對(duì)處理器和協(xié)議要求較低。

FHSS 跳頻擴(kuò)頻的缺點(diǎn)：

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(wú)適應(yīng)能力：不能根據(jù)環(huán)境自動(dòng)優(yōu)化跳頻序列，效率低于后來(lái)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(wèn)題，從 藍(lán)牙 1.2 開(kāi)始，引入了 AFH 技術(shù)

AFH 的核心思想是：

AFH 會(huì)檢測(cè)信道質(zhì)量，自動(dòng)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(diǎn)：

避開(kāi)干擾頻率：自動(dòng)檢測(cè)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(dòng)避開(kāi) 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(dòng)態(tài)適應(yīng)能力強(qiáng)：能根據(jù)實(shí)時(shí)環(huán)境變化，更新跳頻序列，應(yīng)對(duì)移動(dòng)設(shè)備和復(fù)雜無(wú)線環(huán)境。
提高實(shí)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(diǎn)

實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜：需要主設(shè)備監(jiān)測(cè)信道質(zhì)量、動(dòng)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(huì)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(shí)，使用的是Basic Piconet Channel 通道進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，實(shí)際使用的是 FHSS 跳頻機(jī)制在0~79信道之間跳轉(zhuǎn)。

如果開(kāi)啟了AFH功能，藍(lán)牙模塊會(huì)去檢測(cè)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(gè)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(guò)跳頻（Frequency Hopping）在多個(gè)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(gè)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(diǎn)：

基于事件計(jì)數(shù)器（Event Counter）。
線性跳頻：通過(guò)一個(gè)簡(jiǎn)單的公式，在37個(gè)數(shù)據(jù)通道中進(jìn)行偽隨機(jī)跳變。
不可自適應(yīng)：無(wú)法避開(kāi)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(duì)時(shí)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(shì)：

實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單： 算法邏輯相對(duì)簡(jiǎn)單，計(jì)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(shì)：

跳頻模式較為可預(yù)測(cè)，安全性較低。
容易受干擾，因?yàn)椴荒芴^(guò)信號(hào)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(diǎn)：

更加隨機(jī)、抗干擾性更強(qiáng)。
支持信道映射表（Channel Map），跳過(guò)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(gè) event_counter 和 access_address 作為種子，經(jīng)過(guò)非線性變換（例如基于 AES 的混淆函數(shù)）生成一個(gè)偽隨機(jī)數(shù)。
將該偽隨機(jī)數(shù)對(duì)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(lái)找出實(shí)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(shì)：

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(cè)，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(guò)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(wú)法預(yù)測(cè)，有助于防止干擾和嗅探攻擊。
支持動(dòng)態(tài)黑名單： 可以動(dòng)態(tài)地排除受干擾的頻道（結(jié)合 Adaptive Frequency Hopping, AFH）。

CSA#2缺點(diǎn)：

實(shí)現(xiàn)復(fù)雜： 依賴加密算法（如 AES-128），計(jì)算復(fù)雜度高，對(duì)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(jí)使用 CSA#1。
稍微增加功耗： 計(jì)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(cè)性	高（易預(yù)測(cè)）	低（偽隨機(jī)）
計(jì)算復(fù)雜度	低	高（需要加密運(yùn)算）
實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)易性	簡(jiǎn)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