前言

藍(lan)(lan)牙(ya)運行在2.4GHz的ISM頻段，這一(yi)頻段與2.4G WiFi所使用(yong)的頻段相同(tong)。不過，經典藍(lan)(lan)牙(ya)和BLE藍(lan)(lan)牙(ya)在信(xin)(xin)道數量、信(xin)(xin)道帶(dai)寬、跳頻方式以及信(xin)(xin)道用(yong)途等方面有(you)著明顯不同(tong)。接下來(lai)，我(wo)們會對藍(lan)(lan)牙(ya)的信(xin)(xin)道、跳頻情況以及信(xin)(xin)道選(xuan)擇算法進行介紹。

（一）經典藍(lan)牙信(xin)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(zai) 2400 ~2483.5 MHz（ISM）頻段。

在未連(lian)接前(qian)，經典藍牙使用的(de)是79個(ge)信道中(zhong)的(de)32個(ge)信道進(jin)行廣(guang)播和配對（Inquiry Scan/Page Scan 階(jie)段）

配對(dui)連接(jie)成(cheng)功(gong)之后，則會使用全部 79 個信道，包括控制包和數據包都通過(guo)這 79 個信道交換。

（1） 經典藍牙通道類型

在(zai)經典藍牙(ya)中，信道分為(wei) 5 類：

• Inquiry Scan & Page Scan：用于設備(bei)發現和連接前階段。
• Basic/Adapted Piconet：連接后使(shi)用(yong)，用(yong)于正常或(huo)干擾優(you)化通信。
• Synchronization Scan：專為同步廣播設計，用于周期性接收廣播數(shu)據。

（2）Inquiry Scan（發(fa)現設備）

Inquiry Scan 通道的作用是用于設備被發現（被查詢） 的場景(jing)。

主要特點：

• 使(shi)用32個預定義(yi)的跳頻信道（在79個信道中選出）。
• 設備周期性地監聽(ting) Inquiry 信號。
• 當其他設備(bei)發起(qi) Inquiry 請(qing)求時，處于 Inquiry Scan 狀態的設備(bei)會響應。
• 通過該(gai)通道，設備能被(bei)發現，但還(huan)未建立連接(jie)。

主要適用場景：設備廣播(bo)“我在這”，以供其他(ta)設備查詢時使用(yong)。

（3）Page Scan（連接目標設備）

Page Scan 通道的作(zuo)用(yong)是用(yong)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(di)監聽特定跳頻上的尋呼信(xin)號。
• 主(zhu)設備在這(zhe) 32 個信道中跳頻發送(song) Page 請求
• 主設備使(shi)用 Page Channel 向從(cong)設備發起連接。
• 從設備(bei)在這個通(tong)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(qi)連接(jie)。

（4）Basic Piconet Channel

Basic Piconet Channel是設備連接成功后，用(yong)于主(zhu)從(cong)之(zhi)間數(shu)據(ju)傳輸的主(zhu)要(yao)物理通道。

主要特點：

• 由一(yi)個主設備控制跳頻序列。
• 所有從設(she)備跟隨(sui)主(zhu)設(she)備的跳頻。
• 使(shi)用所有79個信道（0~78）。

主要適用場景是：連接(jie)狀態下的(de)正(zheng)常通信。

（5）Adapted Piconet Channel

Adapted Piconet 通道是 Basic Piconet 的一(yi)個(ge)變種，適(shi)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(gu)動態調整(zheng)的(de)（Adaptive Frequency Hopping, AFH）。
• 跳頻圖會剔除干擾嚴重的信道。
• 動態選擇(ze)部分信道（例如剔除(chu)干(gan)擾頻(pin)段，可(ke)能只用20~60個）

主要適用場景：存在2.4GHz 環境有干擾時的通(tong)信場景。

（6）Synchronization Scan Channel（同步掃(sao)描(miao)通道）

Synchronization Scan 通道用于支(zhi)持同步從設備（如耳機、音(yin)箱）保持(chi)與(yu)主設備的同(tong)步，尤(you)其是在廣播傳輸時。

主要特點：：

• 用于收聽周(zhou)期性廣播（如 synchronized broadcast）。
• 從設(she)備周期(qi)性喚醒并監聽同步廣播信號。
• 支持低(di)功耗同步接收。

主要適用場景：單向廣播同步，如(ru)廣播音(yin)頻等。

（二）BLE 低功耗(hao)藍(lan)牙信道

BLE藍牙為(wei)了更好地(di)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(she)備，BLE藍牙(ya)在經典藍牙(ya)基礎上減少(shao)了信(xin)道數、增(zeng)加了信(xin)道寬度。

但 BLE 藍(lan)牙在抗(kang)干擾性和(he)數據速率(lv)方面有(you)做(zuo)了部分的取舍。

（1）BLE藍牙信道類型

BLE 藍(lan)牙(ya)與經典(dian)藍(lan)牙(ya)都是工作在 2400 ~2483.5 MHz(ISM) 頻段，BLE 藍(lan)牙(ya)將 ISM 頻段分(fen)為帶寬(kuan)為 2Mhz 的 ch0~ch39 共 40 個信道。

這(zhe) 40 個信道(dao)編(bian)號并(bing)不是連續的(de)。其(qi)中37、38、39 為(wei)廣播信道(dao)，分布在(zai)不同(tong)的(de)位(wei)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(ya)與(yu) 2.4G WiFi處于同一個工作(zuo)頻段，為了(le)盡可(ke)能地避免 WiFi 對藍牙(ya)的(de)干擾，所以將三個廣播(bo)信道布置(zhi)到(dao)了(le) WiFi 信道的(de)"縫(feng)隙(xi)"中(zhong)。

上(shang)圖(tu)可(ke)以看(kan)出 BLE 的37、38、39 信道(dao)，實際是(shi)分布在WiFi 1、6、11 信道(dao)的"縫隙"處。

當藍(lan)牙(ya)與 WiFi 在(zai)同一個空(kong)間(jian)工(gong)作(zuo)時，從頻譜圖中可以明(ming)顯地看(kan)到藍(lan)牙(ya)的廣播(bo)信道頻譜。

隨著時(shi)間的變化，也可以看到一段(duan)時(shi)間上各信道的利用率。其中(zhong)藍牙(ya)廣播信道的使用率還是挺高。

（2）經典 VS BLE 藍(lan)牙信道(dao)

藍牙技術的發(fa)展從 BR/EDR（Basic Rate/Enhanced Data Rate） 到 BLE（Bluetooth Low Energy），其(qi)物理信道數(shu)量由 79個（在BR/EDR中(zhong)）減少為 40個（在BLE中(zhong)），在功耗、成本、信道重疊(die)上(shang)有(you)優(you)勢，但在吞吐(tu)量、抗干擾方面(mian)又有(you)明顯不足。

BLE 藍牙信道優勢：

• 簡化射頻設計：2 MHz 寬(kuan)度(du)、40 個信道(dao)更適合低(di)成本實(shi)現。
• 更快建立連接：3 個(ge)固定廣播(bo)信道(dao)，有利于快速掃(sao)描(miao)與連接。
• 節能優化：信道規(gui)劃簡化(hua)通信過(guo)程，有助(zhu)于降低(di)功耗。
• 減少與Wi-Fi干擾：合(he)理(li)分布的信(xin)道避免與 Wi-Fi 常(chang)用(yong)信(xin)道沖突(tu)。

BLE 藍牙信道劣勢：

• 抗干擾能力略弱：跳頻范圍變窄，在復(fu)雜無線環(huan)境(jing)下易(yi)受(shou)影響(xiang)。
• 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(fen)改(gai)進）。
• 兼容性問題：早期(qi)BLE設備(bei)不支持BR/EDR，應用需(xu)要按場景選擇。

簡而言之就是：經典藍(lan)牙使用 1Mhz 帶(dai)寬 79 信(xin)(xin)(xin)道，BLE 使用2Mhz 帶(dai)寬 40 信(xin)(xin)(xin)道。BLE 藍(lan)牙減少了信(xin)(xin)(xin)道數、增加(jia)了信(xin)(xin)(xin)道寬度，使得BLE藍(lan)牙在低(di)功耗、低(di)成本、小數據(ju)量(liang)傳(chuan)輸(shu)中占據(ju)優勢，但在抗(kang)干擾性和數據(ju)速(su)率方面又有(you)所犧牲。

（三(san)）跳(tiao)頻技術

為了(le)提高通信的(de)抗(kang)干(gan)擾和提升頻(pin)譜的(de)利用率，藍牙使用了(le) FHSS 和 AFH 跳(tiao)頻(pin)技術

（1）FHSS 跳(tiao)頻擴頻（Frequency Hopping Spread Spectrum）

藍牙從一開始的1.0版本就有使(shi)用(yong)跳頻技(ji)術(shu)，當時使(shi)用(yong)的是 FHSS 技(ji)術(shu)。

FHSS 是一種擴頻(pin)(pin)技術，它通過(guo)在多個頻(pin)(pin)率(lv)信(xin)道間快速(su)切(qie)換(huan)（跳(tiao)頻(pin)(pin)）來發送數據，從而提高抗干擾能力(li)和通信(xin)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(yi)個(ge)頻率上長時間停留，能規避某些(xie)短時干(gan)擾。

• 提高通信安全性：頻率(lv)不斷變化，監聽(ting)者難(nan)以持續跟蹤(zong)完整的數據流，提高抗監聽(ting)能力(li)。

• 抗多徑效應：跳頻可以(yi)避(bi)免由于多徑效應導(dao)致的(de)某一頻率(lv)點的(de)嚴重衰減。

• 實現簡單、成本低：在早期硬件平臺(tai)上易于(yu)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(pin)是隨(sui)機或偽隨(sui)機的(de)，可(ke)能跳到被(bei) Wi-Fi 或其他設備強干(gan)擾的(de)頻(pin)率上(shang)，影響通信(xin)質量。

• 無適應能力：不(bu)能根據環(huan)境自動(dong)優化跳頻序列，效率低于后(hou)來的自適應(ying)跳頻技術。

• 頻譜利用率不高：所有信道都參(can)與(yu)跳頻，即使某(mou)些信道質量很差(cha)，也仍可能使用。

（2）AFH 自適應(ying)跳頻（Adaptive Frequency Hopping ）

雖(sui)然 FHSS 能(neng)提高抗干(gan)擾能(neng)力，但在(zai) 2.4 GHz 頻段(duan)中，有很多其(qi)他(ta)設備(bei)（如 Wi-Fi、微波爐、Zigbee）也(ye)在(zai)使用(yong)相鄰或相同頻率，可能(neng)造成干(gan)擾。

為了解決該問題，從(cong) 藍牙 1.2 開始，引入(ru)了 AFH 技術

AFH 的核心思想是：

AFH 會(hui)檢測(ce)信道質(zhi)(zhi)量，自動將受干擾嚴重(zhong)或質(zhi)(zhi)量差的信道從(cong)跳頻序列中排除，只在“良(liang)好(hao)信道”之間跳頻，從(cong)而(er)提升通信質(zhi)(zhi)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(wu)碼率的(de)信(xin)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(zhu)動避開 Wi-Fi 使用的 2.4GHz 頻段(duan)（如信道 1、6、11），減少(shao)藍牙與(yu) Wi-Fi 的沖突。

• 動態適應能力強：能根據實(shi)時環境(jing)變化，更新跳頻序(xu)列(lie)，應對移動設備和復雜無線環境(jing)。

• 提高實際傳輸效率：由于(yu)減少(shao)了因信(xin)道干擾而導致的重傳，提升了有效數據速率(lv)。

AFH 自適應跳頻的缺點

• 實現更復雜：需要(yao)主(zhu)設備(bei)監測信道質量、動態(tai)維護信道列表，增(zeng)加了(le)協議棧復雜度和資源(yuan)消耗(hao)。

• 依賴主從協同跳頻：主設備(bei)做決策并同(tong)步從設備(bei)，若同(tong)步失效，通(tong)信會中(zhong)斷(duan)。

• 受限于信道總數減少：剔(ti)除(chu)“壞(huai)信道(dao)”后(hou)，可用信道(dao)減少，可能導(dao)致頻(pin)譜利用率下降、跳(tiao)頻(pin)圖變(bian)得(de)不均勻。

FHSS 與 AFH的應用

在(zai)經典藍(lan)牙中，設(she)備剛連接上時，使(shi)用的是Basic Piconet Channel 通道(dao)進行數(shu)據交互，實際使(shi)用的是 FHSS 跳頻機制在(zai)0~79信道(dao)之間跳轉。

如果開啟了(le)AFH功能(neng)，藍牙模塊會去(qu)檢測信道的(de)質(zhi)量(liang)，將(jiang)質(zhi)量(liang)不好的(de)信道剔(ti)除(chu)，也就是(shi)Adapted Piconet Channel 信道。它使(shi)用的(de)是(shi)BR/EDR 80個信道中(zhong)的(de)部分(fen)信道進行數據交互(hu)。

在藍牙中(zhong)，生成跳頻序列的算法(fa)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(shi)用。

（四）信道選擇算法

在BLE通信中，設(she)備通過跳頻（Frequency Hopping）在多個數(shu)據(ju)通道(dao)之間切換，以減少(shao)干擾并提(ti)高通信可(ke)靠性。

CSA#1和CSA#2定義了數據包應跳轉(zhuan)到哪個通(tong)道。

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

CSA#1 是藍牙早期版(ban)本（如 Bluetooth 4.0 及之前）中(zhong)使用的信道(dao)選擇算法。

特點：

• 基于事件計數器（Event Counter）。
• 線性跳頻：通過一個(ge)簡單的公式，在37個(ge)數據(ju)通道中(zhong)進行偽隨機(ji)跳變。
• 不可自適應：無法避開存在干擾(rao)的信(xin)道。

跳頻的公式為：

channel_index = (event_counter + hop_increment) % 37

hop_increment 為(wei)配對時選定的跳頻因子（范圍是1~36，不(bu)能被37整除(chu)）

上(shang)圖可以看出CSA#1算法跳(tiao)頻(pin)的線(xian)性變(bian)化。

CSA#1優勢：

• 實現簡單： 算(suan)法(fa)邏輯相對簡(jian)單，計算(suan)量(liang)低，適合資源受限的設(she)備（如(ru)低端MCU）。
• 兼容性強： 是(shi) BLE 4.0/4.1 的(de)默認跳頻算(suan)法，幾乎所有 BLE 設備(bei)都支持(chi)。
• 跳頻快速： 跳頻速度快，延(yan)遲(chi)小，有助于低延(yan)遲(chi)通信(xin)。

CSA#1劣勢：

• 跳頻模(mo)式較(jiao)為可預測，安(an)全(quan)性較(jiao)低(di)。
• 容易受干(gan)擾，因為(wei)不能跳過信號質(zhi)量差(cha)的通道。
• 在高干擾環境（如 Wi-Fi 重疊）下表(biao)現較差。

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

CSA#2 算法在(zai)藍牙(ya)5.0 之后版本廣(guang)泛使用，旨在(zai)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(tiao)過受(shou)干(gan)擾(rao)的通道。
• 基于AES-like加擾運算：提(ti)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(wei)種子(zi)，經過非線性變換（例(li)如(ru)基于 AES 的混淆函數）生成一(yi)個偽(wei)隨(sui)機數。
2. 將(jiang)該(gai)偽隨機數對可用(yong)通道(dao)(dao)數量取(qu)模，得到目(mu)標信(xin)道(dao)(dao)索引(yin)。
3. 使用當(dang)前的(de) 信道映射表（channel map）來找出實際要跳轉的通(tong)道。

從上(shang)圖可(ke)以看出(chu)，使用(yong)CSA#2之后，信道跳(tiao)轉(zhuan)是非(fei)線性的。

CSA#2優勢：

• 抗干擾能力強： 使用 AES 加密生成偽隨(sui)機跳頻序(xu)列(lie)，難以預測，抗(kang)干(gan)擾性和(he)安全(quan)性大幅提升。

• 頻譜使用均勻： 所有可用頻(pin)道使(shi)用更均勻，避(bi)免某些頻(pin)道過度使(shi)用，提(ti)高(gao)系統穩(wen)定(ding)性。

• 安全性更高： 序列與(yu)連(lian)接(jie)參數相(xiang)關(guan)，外部(bu)無法預測(ce)，有助于防止干擾和嗅探(tan)攻(gong)擊。

• 支持動態黑名單： 可以動(dong)態地(di)排(pai)除受干(gan)擾的頻(pin)道(dao)（結合 Adaptive Frequency Hopping, AFH）。

CSA#2缺點：

1. 實現復雜： 依(yi)賴加密(mi)算法（如 AES-128），計算復雜度高(gao)，對硬件資源有更高(gao)要求。
2. 兼容性要求更高： ;舊設備(bei)（BLE 4.0/4.1）可能不(bu)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(da)可能(neng)略微(wei)提升能(neng)耗，尤其(qi)是在資(zi)源緊(jin)張的低(di)功耗設備中。

CSA#1 VS CSA#2

（3）信(xin)道質量(liang)判斷

所有的無線設備，包括藍牙和 WiFi，都無法在發送(song)數據(ju)的同(tong)時檢(jian)測當前(qian)信道是(shi)否繁忙(mang)，而是(shi)通過(guo)過(guo)往(wang)數據(ju)的收發情況進(jin)行分(fen)析判斷。

信道質量的衡量指標

藍(lan)牙控制器通過(guo)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(dao)上發送的(de)包中，有多少(shao)是被接收方認(ren)為(wei)損壞的(de)（如CRC校(xiao)驗失敗）。
• 通常以“百分比”表示(shi)，比如 PER > 10% 可(ke)認為質量較差。

（2）重傳次數（Retransmissions）

• 如果(guo)某個信道頻(pin)繁需要重傳(chuan)，說明它信號質(zhi)量差。

（3）接收信號強度（RSSI）

• 藍牙設備能檢測接(jie)收到的信(xin)號(hao)強度；RSSI太低表示(shi)信(xin)道質量差(cha)。
• 但RSSI不總是直接(jie)用來決定跳頻行(xing)為(wei)，更多用于優化連接(jie)。

（4）信道利用率或干擾檢測

• 某些藍牙控制器具備檢(jian)測(ce)頻(pin)(pin)道是否(fou)被(bei)Wi-Fi等占用的能力（頻(pin)(pin)譜掃(sao)描或(huo)能量檢(jian)測(ce)）。

藍(lan)牙控制(zhi)器維(wei)護(hu)一個信道分類表（Channel Classification Map），將(jiang)信道(dao)分為：

• Good（好）：當前(qian)通(tong)信表(biao)現(xian)穩定；
• Bad（差）：通信(xin)包錯誤率高、干(gan)擾嚴(yan)重(zhong)；
• Unknown（未知）：未被使(shi)用(yong)或未測量；

藍牙主設(she)備定(ding)期上報這(zhe)個分類表給從(cong)設(she)備，確保主從(cong)設(she)備使用同一跳頻(pin)序列。

（五）藍牙信(xin)道未來發展

從藍(lan)牙(ya)聯盟官方網站上(shang)看，藍(lan)牙(ya)是(shi)有在規劃 5 GHz 和 6 GHz 頻段的使用(yong)，但是(shi)沒有給出明確的推出時間。

規劃5 GHz 和 6 GHz的(de)目(mu)的(de)是(shi)：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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