前言

藍牙運行在2.4GHz的ISM頻段，這一頻段與2.4G WiFi所使用的頻段相同。不過，經典藍牙和BLE藍牙在信道數量、信道帶寬、跳頻方式以及信道用途等方面有著明顯不同。接下來，我們會對藍牙的信道、跳頻情況以及信道選擇算法進行介紹。

（一）經典藍牙信道

經典藍牙信道帶寬 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，經典藍牙使用的是79個信道中的32個信道進行廣播和配對（Inquiry Scan/Page Scan 階段）

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

（1） 經典藍牙通道類型

在經典藍牙中，信道分為 5 類：

• Inquiry Scan & Page Scan：用于設備發現和連接前階段。
• Basic/Adapted Piconet：連接后使用，用于正常或干擾優化通信。
• Synchronization Scan：專為同步廣播設計，用于周期性接收廣播數據。

（2）Inquiry Scan（發現設備）

Inquiry Scan 通道的作用是用于設備被發現（被查詢） 的場景。

主要特點：

• 使用32個預定義的跳頻信道（在79個信道中選出）。
• 設備周期性地監聽 Inquiry 信號。
• 當其他設備發起 Inquiry 請求時，處于 Inquiry Scan 狀態的設備會響應。
• 通過該通道，設備能被發現，但還未建立連接。

主要適用場景：設備廣播“我在這”，以供其他設備查詢時使用。

（3）Page Scan（連接目標設備）

Page Scan 通道的作用是用于設備等待被連接（被尋呼）的場景。

主要特點：

• 設備處于“可連接”狀態時，周期性地監聽特定跳頻上的尋呼信號。
• 主設備在這 32 個信道中跳頻發送 Page 請求
• 主設備使用 Page Channel 向從設備發起連接。
• 從設備在這個通道上掃描尋呼請求。

主要適用的場景：從設備等待主設備發起連接。

（4）Basic Piconet Channel

Basic Piconet Channel是設備連接成功后，用于主從之間數據傳輸的主要物理通道。

主要特點：

• 由一個主設備控制跳頻序列。
• 所有從設備跟隨主設備的跳頻。
• 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，適用于跳頻受限環境（如 Wi-Fi 干擾）。

主要特點：

• 用于連接狀態下通信。
• 跳頻圖是根據頻道質量評估動態調整的（Adaptive Frequency Hopping, AFH）。
• 跳頻圖會剔除干擾嚴重的信道。
• 動態選擇部分信道（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備（如耳機、音箱）保持與主設備的同步，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）。
• 從設備周期性喚醒并監聽同步廣播信號。
• 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 低功耗藍牙信道

BLE藍牙為了更好地適應低功耗、低成本、小數據量傳輸的需求，以便能更好地適配物聯網設備，BLE藍牙在經典藍牙基礎上減少了信道數、增加了信道寬度。

但 BLE 藍牙在抗干擾性和數據速率方面有做了部分的取舍。

（1）BLE藍牙信道類型

BLE 藍牙與經典藍牙都是工作在 2400 ~2483.5 MHz(ISM) 頻段，BLE 藍牙將 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。

當藍牙與 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。其中藍牙廣播信道的使用率還是挺高。

（2）經典 VS BLE 藍牙信道

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

BLE 藍牙信道優勢：

• 簡化射頻設計：2 MHz 寬度、40 個信道更適合低成本實現。
• 更快建立連接：3 個固定廣播信道，有利于快速掃描與連接。
• 節能優化：信道規劃簡化通信過程，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 藍牙信道劣勢：

• 抗干擾能力略弱：跳頻范圍變窄，在復雜無線環境下易受影響。
• 最大吞吐量較低：不適合大數據量或高質量音頻/視頻傳輸（不過BLE Audio在BLE 5.2中已部分改進）。
• 兼容性問題：早期BLE設備不支持BR/EDR，應用需要按場景選擇。

簡而言之就是：經典藍牙使用 1Mhz 帶寬 79 信道，BLE 使用2Mhz 帶寬 40 信道。BLE 藍牙減少了信道數、增加了信道寬度，使得BLE藍牙在低功耗、低成本、小數據量傳輸中占據優勢，但在抗干擾性和數據速率方面又有所犧牲。

（三）跳頻技術

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

（1）FHSS 跳頻擴頻（Frequency Hopping Spread Spectrum）

藍牙從一開始的1.0版本就有使用跳頻技術，當時使用的是 FHSS 技術。

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

FHSS 跳頻擴頻的優點

• 抗干擾能力強：跳頻特性使信號不在一個頻率上長時間停留，能規避某些短時干擾。

• 提高通信安全性：頻率不斷變化，監聽者難以持續跟蹤完整的數據流，提高抗監聽能力。

• 抗多徑效應：跳頻可以避免由于多徑效應導致的某一頻率點的嚴重衰減。

• 實現簡單、成本低：在早期硬件平臺上易于實現，對處理器和協議要求較低。

FHSS 跳頻擴頻的缺點：

• 容易跳入受干擾信道：跳頻是隨機或偽隨機的，可能跳到被 Wi-Fi 或其他設備強干擾的頻率上，影響通信質量。

• 無適應能力：不能根據環境自動優化跳頻序列，效率低于后來的自適應跳頻技術。

• 頻譜利用率不高：所有信道都參與跳頻，即使某些信道質量很差，也仍可能使用。

（2）AFH 自適應跳頻（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 藍牙 1.2 開始，引入了 AFH 技術

AFH 的核心思想是：

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

AFH 自適應跳頻的優點：

• 避開干擾頻率：自動檢測和屏蔽受干擾或高誤碼率的信道，顯著提高通信穩定性和吞吐率。

• 與 Wi-Fi 等共存能力強：能主動避開 Wi-Fi 使用的 2.4GHz 頻段（如信道 1、6、11），減少藍牙與 Wi-Fi 的沖突。

• 動態適應能力強：能根據實時環境變化，更新跳頻序列，應對移動設備和復雜無線環境。

• 提高實際傳輸效率：由于減少了因信道干擾而導致的重傳，提升了有效數據速率。

AFH 自適應跳頻的缺點

• 實現更復雜：需要主設備監測信道質量、動態維護信道列表，增加了協議棧復雜度和資源消耗。

• 依賴主從協同跳頻：主設備做決策并同步從設備，若同步失效，通信會中斷。

• 受限于信道總數減少：剔除“壞信道”后，可用信道減少，可能導致頻譜利用率下降、跳頻圖變得不均勻。

FHSS 與 AFH的應用

在經典藍牙中，設備剛連接上時，使用的是Basic Piconet Channel 通道進行數據交互，實際使用的是 FHSS 跳頻機制在0~79信道之間跳轉。

如果開啟了AFH功能，藍牙模塊會去檢測信道的質量，將質量不好的信道剔除，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行數據交互。

在藍牙中，生成跳頻序列的算法有兩種：

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

[敏感詞]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，設備通過跳頻（Frequency Hopping）在多個數據通道之間切換，以減少干擾并提高通信可靠性。

CSA#1和CSA#2定義了數據包應跳轉到哪個通道。

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

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

特點：

• 基于事件計數器（Event Counter）。
• 線性跳頻：通過一個簡單的公式，在37個數據通道中進行偽隨機跳變。
• 不可自適應：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優勢：

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

CSA#1劣勢：

• 跳頻模式較為可預測，安全性較低。
• 容易受干擾，因為不能跳過信號質量差的通道。
• 在高干擾環境（如 Wi-Fi 重疊）下表現較差。

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

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

特點：

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

算法大致流程：

1. 使用一個 event_counter 和 access_address 作為種子，經過非線性變換（例如基于 AES 的混淆函數）生成一個偽隨機數。
2. 將該偽隨機數對可用通道數量取模，得到目標信道索引。
3. 使用當前的 信道映射表（channel map）來找出實際要跳轉的通道。

從上圖可以看出，使用CSA#2之后，信道跳轉是非線性的。

CSA#2優勢：

• 抗干擾能力強： 使用 AES 加密生成偽隨機跳頻序列，難以預測，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，提高系統穩定性。

• 安全性更高： 序列與連接參數相關，外部無法預測，有助于防止干擾和嗅探攻擊。

• 支持動態黑名單： 可以動態地排除受干擾的頻道（結合 Adaptive Frequency Hopping, AFH）。

CSA#2缺點：

1. 實現復雜： 依賴加密算法（如 AES-128），計算復雜度高，對硬件資源有更高要求。
2. 兼容性要求更高： 舊設備（BLE 4.0/4.1）可能不支持 CSA#2，需協商降級使用 CSA#1。
3. 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備中。

CSA#1 VS CSA#2

（3）信道質量判斷

所有的無線設備，包括藍牙和 WiFi，都無法在發送數據的同時檢測當前信道是否繁忙，而是通過過往數據的收發情況進行分析判斷。

信道質量的衡量指標

藍牙控制器通過以下方式判斷某個信道是否“質量差”：

（1）包錯誤率（PER, Packet Error Rate）

• 某個信道上發送的包中，有多少是被接收方認為損壞的（如CRC校驗失敗）。
• 通常以“百分比”表示，比如 PER > 10% 可認為質量較差。

（2）重傳次數（Retransmissions）

• 如果某個信道頻繁需要重傳，說明它信號質量差。

（3）接收信號強度（RSSI）

• 藍牙設備能檢測接收到的信號強度；RSSI太低表示信道質量差。
• 但RSSI不總是直接用來決定跳頻行為，更多用于優化連接。

（4）信道利用率或干擾檢測

• 某些藍牙控制器具備檢測頻道是否被Wi-Fi等占用的能力（頻譜掃描或能量檢測）。

藍牙控制器維護一個信道分類表（Channel Classification Map），將信道分為：

• Good（好）：當前通信表現穩定；
• Bad（差）：通信包錯誤率高、干擾嚴重；
• Unknown（未知）：未被使用或未測量；

藍牙主設備定期上報這個分類表給從設備，確保主從設備使用同一跳頻序列。

（五）藍牙信道未來發展

從藍牙聯盟官方網站上看，藍牙是有在規劃 5 GHz 和 6 GHz 頻段的使用，但是沒有給出明確的推出時間。

規劃5 GHz 和 6 GHz的目的是：更高的數據吞吐量、更低的延遲、更高的定位精度以及更好的共存性。

藍牙規范的推出，再到用戶能用的實際產品，中間會有個代差。可以確定的是，短時間內應該大家是還看不到 5 GHz 和 6 GHz 藍牙的應用。


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