1. 物理层

BLE的物理层定义了如何使用无线电收发器来对数据进行编码和解码，以及其他相关的与无线电相关的参数和属性。
BLE工作在2.4 GHz未授权频段，范围为2400 MHz---2483.5 MHz，分为40个通道，每个通道的间距为2 MHz，中心频率为2402MHz-2481MHz
BLE调制方式:GFSK
BLE定义了几个不同的PHYs：LE 1M 、 LE 2M、LE Coded S2、LE Coded S8。可以使用HCI接口配置。
几种PHYS的比较如下:

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BLE 无线电是一种半双工设备，所有的PHYS都使用时分双工（TDD）方案，从而给出了全双工无线电的特性。
最大输出功率应在0.01 mW（- 20 dBm）和100 mW（+20 dBm）之间
接收灵敏度定义为具有特定误码率（BER）的接收机输入功率。指定的误码率根据接收包的长度而变化，因为链路层向每个包添加了单个循环冗余检查（CRC）字段，并将其用作检测解码包中的一个或多个错误位的机制。由于包的长度不同，并且每个包有一个CRC，因此包的长度会影响计算出的误码率。计算方式如下：

image.png

应达到的最小值如下:

image.png

2. 链路层

链接层是整个协议栈中最复杂最重要的。它定义了通过空中传输的几种类型的数据包和相关的空中接口协议。它的操作服从于一个定义良好的状态机。根据状态的不同，链路层可以以许多完全不同的方式运行，由许多类型的事件驱动。定义了许多影响链接或链接使用参数的状态的控制过程。信道的选择和分类在链路层规范中被定义。

2.1 空中数据包格式

BLE 链路层定义了两种类型的数据包格式，其中一种由 LE 1M 和 LE 2M 的PHYS使用，另外一种由LE CODED PHYS使用。

Link layer packet format for the LE uncoded PHYs.png

Link layer packet for the LE Coded PHY.png

这两种数据包类型都包括前导符Preamble、Access Adress和CRC。下面解释下这些字段：

Preamble: 前导码允许接收机精确地同步信号的频率，执行自动增益控制和估计符号定时。
Access Adress：接入地址被接收器用于区分信号和背景噪声，并确定数据包与接收设备的相关性。例如，一对已连接的设备使用相同的随机分配的接入地址交换数据包。未参与连接的设备将忽略这些数据包，因为访问地址不是与它们相关的数据包。类似地，所有传统广播包使用相同的接入地址，值为0x8E89BED6，这表明这些广告包可能被所有设备接收。
CRC: 用于帧错误检测。

链路层数据包的PDU字段可以包含各种不同的协议数据单元（PDU），这取决于BLE的使用方式。只有在使用AOA或AOD侧向时，才存在CTE扩展字段。
PDU和CRC字段在传输之前要经过一个称为白化的过程。白化的目的是避免长序列的0或1的数据包，因为这可能导致接收机的频率漂移。在检查CRC之前，接收器逆白化过程以恢复原始比特流。
PDU字段可以被加密，在这种情况下，它包括一个消息完整性检查字段，以防止PDU被篡改。
当使用LE Coded PHY时，位流在传输之前需要进行额外的处理，使用前向纠错（FEC）编码器产生额外的数据。这样接收方就可以在某些情况下，利用这些数据来纠正一些不正确值的位的值。

2.2 链路层状态机

链路层的操作可以用具有以下状态的状态机来描述：

Standby State：既不传输也不接收数据包的一个状态。
Advertising State: 发送广播包,可以接收请求进入Connection State。
Scanning State：监听其他设备的广播包。
Initiating State: 监听来自特定设备的广播包，并响应这些包来启动与此设备的连接。处于Initiating状态的设备被称为启动器。可以从待机状态进入启动状态。
Connection State：与另一台设备的连接状态。当处于连接状态时，将定义两个设备角色Central role 和 Peripheral role。从Initiating状态进入到连接状态的设备称为Central ,从Advertising状态接受请求而进入到连接状态的成为Peripheral。
Synchronization State：监听特定设备传输的定期广告。
Isochronous Broadcasting State：广播同步数据包。

链路层状态机的状态图.png