第一节 链路层基础
链路层概览
链路层规范几乎是蓝牙核心规范中 BLE 部分中最大的部分，仅次于主机控制器接口(HCI)功能规范部分。然而可以说，它是最复杂的部分。
链路层有许多责任。它定义了通过空中传输的多种数据包和相关的空中接口协议。它的操作受到明确定义的状态机的影响。根据状态的不同，链路层可能以多种不同的方式运行，由多种类型的事件驱动。定义了许多影响链路状态或链路使用参数的控制过程。链路层规范中还定义了无线信道的选择和分类。
链路层支持连接和无连接的通信，以及确定性和（稍微）随机化的事件定时。支持两个设备进行点对点通信和一对多的通信模式（一个设备发送的消息，多个设备可以同时接收。）
数据包格式
链路层定义了两种数据包格式。
第一种是非编码的物理层使用的数据包格式（LE 1M 和 LE 2M）：
图2. 非编码的物理层使用的数据包格式 第二种是编码的物理层使用的数据包格式 （LE Coded S=2 和 LE Coded S=8）：
图3. 编码的物理层使用的数据包格式
两种数据包类型都包括前导码、接入地址和CRC字段。表1解释了这些共同字段的每个部分。
| 链路层数据包字段名称 | 描述 |
|---|---|
| 前导码 | 前导码允许接收器精确同步信号的频率，执行自动增益控制并估算符号定时。 |
| 接入地址 | 接收方用接入地址区分信号和背景噪音，并确定数据包跟接收设备的相关性。例如，一对连接的设备交换具有相同随机分配的接入地址的数据包。未参与连接的设备将忽略此类数据包，因为接入地址与它们不相关。同样，所有传统的广播数据包都使用相同的接入地址，值为 0x8E89BED6，这表示这些数据包可被所有设备接收。 |
| CRC | 循环冗余校验（CRC）用于错误检测。发射方使用数据包中其他位的值来计算其值。在接收到一个数据包时，接收设备会根据接收到的数据包的位值计算出一个 CRC 值，除了构成 CRC 字段的那些位。然后，接收方计算得到的 CRC 值与数据包中 CRC 字段的值进行比较。如果两个 CRC 值匹配，那么数据包被认为已正确接收。如果不匹配，则被认为包含一个或多个错误位。 |
链路层数据包的 PDU 字段可能包含各种不同的协议数据单元（PDUs），具体取决于 BLE的使用方式。当使用两种定向找寻方法之一（到达角或离开角）时，才会存在 Constant Tone Extension（CTE）。
在数据包传输之前，PDU 和 CRC 字段会经过一种称为白化的过程。白化[1]的目的是避免数据包中出现长序列的 0 或 1，因为这可能导致接收方的频率锁定漂移。接收方会反转白化过程，以在检查 CRC 之前恢复原始的位流。
PDU 字段可能会进行加密，此时它包括一个消息完整性检查字段，用于防止 PDU 被篡改。
在使用 LE Coded PHY 时，比特流在传输前会受到额外的处理。首先应用前向纠错（FEC）编码器，然后通过模式映射器生成额外的数据，接收方在逆向应用这些过程时使用该数据，并在可能的情况下纠正任何具有不正确值的位。
状态机
链路层由如图 4 所展示的状态机来管理。
请参考链路层规范以获取每个状态的详细信息。表二中提供了一个摘要。请注意，此部分的某些术语将在后面的内容中进行解释。
| 状态 | 描述 |
|---|---|
| 待机（Standby） | 设备即不发送数据包也不接收数据包。 |
| 发起连接（Initiating） | 响应来自特定设备的广播包以请求建立连接。 |
| 广播（Advertising） | 发送广播包并处理其他设备的响应广播包。 |
| 连接（Connection） | 与另一设备建立了连接。 |
| 扫描（Scanning） | 监听来自其他设备广播包。 |
| 等时广播 | 广播等时数据包。 |
| 同步 | 监听特定设备传输的特定广播的周期性广播。 |
在连接状态时，BLE 定义了两个重要的设备角色，分别是中心角色（central role）和外围角色。发起连接并从初始化状态过渡到连接状态的设备承担中心角色（peripheral role）。接受连接请求，从广播状态过渡到连接状态的设备承担外围角色。
以智能手机为例，该手机包括音乐播放器应用和便携式蓝牙 LE 音箱。通常，智能手机将扮演中心角色，音箱将扮演外围角色。智能手机通过扫描音箱的广播数据包发现音箱，然后通常在用户的参与下启动与音箱的连接。一旦连接，按照相关 LE 音频规范中定义的附加过程，然后建立音频流。
一个状态机实例某一时刻只能处于一种状态。链路层的实现可以支持多个状态机实例并发运行。
并不是所有的角色和状态都可以任意组合。可以去阅览蓝牙核心规范了解更多细节。
信道选择
BLE 将 2.4 GHz频段划分为 40 个信道。链路层控制这些信道的使用方式，这反过来取决于蓝牙低功耗用于通信的总体方式（更正式地说，这在第 7 节数据传输体系结构中有所涉及）。
蓝牙低功耗以多种不同的方式使用频谱扩展技术，在一段时间内通过多个信道传输数据。这降低了碰撞的几率，使通信更可靠。
BLE 中使用的一种著名的频谱扩展技术是自适应频率跳频。这涉及用于数据包通信的无线电信道定期更改。通过使用信道选择算法和称为信道映射的数据表来选择信道，该表将每个信道分类为可靠或不可靠。实现可以监视每个信道上的通信质量，如果发现某个信道的性能不佳，可能是由于来自其他源的干扰，可以更新信道映射以将该信道的分类设置为不可靠，从而确保该信道不再被算法选择。通过这种方式，信道选择算法能够适应当前的条件，并优化以获得最可靠的性能。
有关如何使用无线电信道的详细信息将在下文讨论 BLE 逻辑传输及其相关物理信道时进一步描述。
数据传输架构
蓝牙核心规范的架构部分定义了一系列概念，共同构成了蓝牙数据传输架构。其中关键的概念包括物理信道、物理链路、逻辑链路和逻辑传输。为支持不同应用类型，已定义了特定的组合，每种都具有关于拓扑结构、时序、可靠性和信道使用等方面的特定要求。
物理信道定义了使用蓝牙进行通信的多种方式之一。例如，两个连接的设备之间可以使用LE Piconet[2] 物理信道进行通信，其中涉及跨 37 个信道的自适应频率跳跃。另外，LE 广播物理信道可用于从一个设备无连接地向无限数量的其他设备进行广播通信。LE 周期物理信道也可用于定期广播数据，但具有确定性的时间计划。观察者（接收器）设备能够确定该时间计划并使用它来同步其扫描计划。
物理链路基于单个特定的物理信道，并指定了该链路的某些特性，如是否使用功率控制。
逻辑链路和传输具有各种参数，旨在通过物理链路使用特定的物理信道类型，提供支持特定数据通信需求的适当手段。
例如，在 BLE 中，可靠的、双向的、点对点通信使用 LE 异步面向连接逻辑（ACL）传输，其中可以使用 LE-C 链路传输控制数据，或者使用 LE-U 链路传输用户数据，这发生在基于 LE Piconet 物理信道的物理链路上。
另一方面，在 BLE 中，不可靠的、单向的广播通信使用 LE 广播（ADVB）逻辑传输，其中可以使用 ADVB-C 链路传输控制数据，或者使用 ADVB-U 链路传输用户数据，这发生在基于 LE 广播物理信道的物理链路上。
