BLE中LL层的跳频机制

BLE中LL层的跳频机制

介绍

​ 为了保证通信的抗干扰性，在BLE LL层中设计了一个跳频机制。一般而言，在BLE中跳频只针对连接事件，而广播事件（周期性广播除外）是固定在37，38，39三个信道上发送的。另外BLE和传统BT的跳频机制是有所区别的，这里我们只针对SPEC中BLUETOOTH CORE SPECIFICATION Version 5.1 | Vol 6, Part B 4.5.8 Data and periodic physical channel index selection章节相关内容进行分析。

信道分类

​ 在连接建立时，主设备应该扫描好BLE的37个连接信道，然后根据其空闲程度将其划分为可用信道和不可用信道两个类别。并形成一张Channel Map，由主机发给从机。随后双方根据特定算法，每次进行连接事件时选择Channel Map上其中一个可用信道进行通信。由于每次进行连接事件的信道频率都有所不同，所以这种机制又叫跳频。

信道选择算法1

基本流程

基本算法如下：

$$f_{n+1}=(f_n+hop)\mathrm{\%}37$$

其中$f_n$为本次使用的信道，初值为0；$f_{n+1}$为下一次的使用的信道；$hop$为跳频阶跃值，取值为5-16；%为取模符号。

流程如下：

1. 主机随机选择一个hop值，随后以$fn$初值为0开始计算$f_{n+1}$。
2. 检查Channel Map，如果$f_{n+1}$为可用信道，则下次连接事件直接在该信道进行。
3. 如果$f_{n+1}$为不可用信道，则按如下算法重新计算：

$$f_{new}=f_{n+1}\mathrm{\%}N$$

其中，$f_{n+1}$为前面算出来为不可用信道，$f_{new}$为Channel Map中可用信道的序号（升序），$N$为Channel Map中的可用信道的数量；

示例

示例一：

1. 设$fn$=10, $hop$=8, 信道地图中的可用信道=[7, 8, 9,18, 21, 22, 23, 31, 32];
2. $f_{n+1}$=(10+8) % 37=18, 因为18是可用信道，直接使用;
3. 则下一次使用18信道作为连接事件使用的信道;

示例二，这里我们把18设为不可用信道：

1. 设$fn$=10, $hop$=8, 信道地图中的可用信道=[7, 8, 9,17, 21, 22, 23, 31, 32];
2. $f_{n+1}$=(10+8) % 37=18, 因为18不是是可用信道，需要重新计算;
3. $f_{new}$=18 mod 9 (可用信道数) = 0, 则$f_{new}$= 0。
4. 下一次连接事件使用可用信道列表中，序号为0的信道。即第一点中的7信道（物理信道从低到高，升序）。

信道选择算法2

​ 算法二比算法一要更复杂，但性能更好。算法二的跳频随机性更好，能保证整个信道频谱能量更分散，发射功率谱密度更低。能更好的满足各国无线电法规中的发送功率要求。另外算法一只能用于连接事件，而算法二除了连接事件，还可以用与扩展广播。

基本流程：

​ 算法二和一的基本思路一致。但在算法二中，跳频阶跃值$hop$不是选中后就固定不变的，而是会在每次的连接事件中通过伪随机算法重新计算。

这里可以分为两个步骤：

1. 得到随机跳频阶跃值$prn\mathrm{\_}e$
2. 用$prn\mathrm{\_}e$算出新的跳频信道$unmappedChannel$
3. 如果新的跳频信道不属于可用信道，用$prn\mathrm{\_}e$参数重新计算$unmappedChannel$

生成$prn\mathrm{\_}e$

这里的$prn\mathrm{\_}e$最复杂，整体的计算方法如下：

其中：

• $counter$：当前信道值
• $channelidentifier$：Access Address的高16bit和低16bit进行XOR运算

而上述框图中：

• XOR：代表异或操作
• MAM代表如下算法操作

• PERM代表如下算法操作

上述过程比较复杂，就不具体说明了。

生成$unmappedChannel$

在前面算出随机数$pr{n}_e$后，再利用其算出下一次要跳频到的信道$unmappedChannel$。这里如果$unmappedChannel$属于可用信道，则直接使用。

如果不属于可用信道，则重新计算。

重新计算$unmappedChannel$

这里重新计算的方法和算法一类似，不再赘述。

示例

算法二的计算比较繁琐。这里我用ellisys自带的计算工具来演示：

这里先随便抓一包，随便得到一个access address。

然后打开计算器，设置下channel map，把刚刚抓到的access address复制进去，初始值counter我们默认为0好了。

随后计算器就算出来，0-4的连接事件会在哪信道上进行。

总结

通过跳频机制，BLE可以有效降低碰撞几率。但要注意，这只是降低，而不是完全消除。实际情况中，BLE连接信道通信前是不会做的CCA信道监听的。一旦环境中蓝牙或者是2.4G设备多了，碰撞几率还是会大大发生，这里就需要到LL层中另外的一套重传机制了。当碰撞发生后，数据会出现乱码丢包，设备会自行跳到下一个可用信道进行重传。要是新的可用新的又碰撞，那就再跳。直到重传成功，或者跳的次数超过了连接参数中的latency和timeout指标，这时候就会判定为设备断连。
通过这样的一套跳频和重传机制，BLE能保证连接事件中数据要么成功发送对端，要么就直接断连。