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BT RF&BB

Discovering Bluetooth Devices

?Frequency Hopping in Inquiry procedure

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關鍵詞：Bluetooth Classic, Frequency Hopping, Inquiry

經典藍牙（以下簡稱BT）中，兩個設備建立連接后，會同步Clock和hopping sequence。在建立連接之前的Inquiry過程中，兩個設備是如何跳到同一個channel進行通信的呢？本文將通過解讀Bluetooth Core spec的相關章節的內容來回答這個問題。希望本文能對還工作在古舊的Bluetooth Classic領域的工程師有所幫助。

BT RF&BB

在解讀Inquiry過程的跳頻之前，有必要簡單介紹一下BT RF和BB的相關內容。

• BT channels一共有79個，編號從0到78，每個channel bandwidth為1MHz。

• ?Bluetooth Packet Format有以下兩種。Inquiry過程只使用Basic Rate Packet，而且還是非常特殊的一種：ID packet——只有Access Code部分而沒有Header和Payload部分。

• ?兩個BT設備之間處于同一個Physical Channel定義是：在同一個timeslot (625us)內，兩個設備的工作頻率都跳到同一個RF channel，且Access Code匹配。
• Access Code長度為68或72bits。Inquiry過程使用一種特定類型的Access Code: GIAC (General Inquiry Access Code)，長度為68bits（ID packet只包含Access Code，所以ID packet length為68bits，duration也就是68us）。GIAC是用Core Spec規定的general inquiry?LAP address (0x9E8B33)生成的(生成算法詳見Core Spec)。

Discovering Bluetooth Devices

兩個BT devices是如何找到對方的呢？Core spec定義了兩個BT state：Inquiry and Inquiry Scan。一個設備（通常是做master/central那個）進入Inquiry state，并開始發送inquiries。另一個設備（通常是做slave/peripheral那個）進入Inquiry Scan state，試圖接收inquiries。（做過BLE產品研發的同學需要注意，BT Inquiry過程和BLE Advertising的區別：BLE中，是由peripheral?device發送advertisement，而在BT中，是由peripheral device 接收inquiry)

Frequency Hopping in Inquiry procedure

先簡單描述一下 Inquiry/Inquiry Scan 過程，然后再介紹跳頻的細節。

• Central和Peripheral使用各自的Native Bluetooth Clock (CLKN) 計算channel，所以一開始Central Tx channel和Peripheral Rx channel是不相同的。一段時間后，在某個時刻一定會出現Central Tx channel與Peripheral Rx channel相同。Figure 2.10中標注的 “hop f(k)”處，Central和Peripheral都工作在了f(k) channel。注意，在此時刻之前，peripheral就已經工作在f(k) channel上了。
• Peripheral接收到了Central發出的 ID packet后，會切換channel到 f'(k)，并在625us后發送 FHS packet；與其同時Central也已經把channel切換到了 f'(k)，Central會在該channel上接收到FHS packet。注意，在此過程中CLKN還在繼續變化，但是并不是用實時的CLKN來計算channel。

Inquiry/Inquiry Scan過程中，Central和Peripheral能夠跳到同一個channel的關鍵點在于他們都使用同一個“k”來計算ID packet傳輸channel和FHS packet傳輸channel。但是，計算ID packet傳輸channel的算法與計算FHS packet傳輸channel的算法不同，因此傳輸這兩種packet的channel是不同的。

下面將羅列出Inquiry/Inquiry Scan過程中跳頻的一些重要細節，以幫助理解上述過程。

• Inquiry scan physical channel使用一個較短的偽隨機跳頻序列 (pseudo-random hopping sequence)，該序列沒有包含所有79個channel，而僅僅含有32個channel——分成A和B兩個train，每個train有16個channel。這32個channel以2MHz為間隔，分散在64MHz頻帶上。
• 該跳頻序列中包含的channels是由GIAC決定的。由于GIAC是定值，所以Inquiry/Inquiry Scan過程用到的跳頻序列也是一個固定channels的集合。
• 在某一個時刻，使用的channel是用native Bluetooth Clock做輸入參數，按照一定算法，從跳頻序列中選出來的。
• Central發ID Packet的跳頻速率是3200 hops per second，即在一個Tx Slot (625us)內，Central需要在2個不同的channel上發inquiry，即ID packet；在接下來的Rx Slot (625us)內，Central也會試圖在另外2個不同的channel上接收inquiry response，即FHS packet?(1,000,000us / 312.5us = 3200)。
• 在10ms內，Central可以完成在16個channel (即一個train) 上發送inquiry (每1.25ms在2個channel上發送inquiry，16個channel就需要1.25ms x 8 = 10ms)。
• Central在切換到一個新train之前，單個train至少要重復256次，即2.56s。為了在干擾環境收集到所有inquiry response，至少要做3次train切換，所以Central的Inquiry substate至少要持續2.56s x 4 = 10.24s，除非Baseband Resource Manager得到了足夠的responses或者被Host命令取消。

• Peripheral會以比Central慢得多的速率進行跳頻——每1.28s切換一次channel。CLKN[16:12]被用于選擇Inquiry scan的channel，而CLKN[16:12]每1.28s才變化一次（詳見后面的跳頻算法細節）。
• Peripheral會默認每2.56s進行一次Inquiry scan——可用參數Inquiry_Scan_Interval (11.25ms to 2560ms)改變。Peripheral會默認每次Inquiry scan運行11.25ms——可用參數Inquiry_Scan_Window (10.625ms to 2560ms)改變。Host用HCI_Write_Inquiry_Scan_Avtivity命令將這兩個參數配置給Controller。注意：Inquiry_Scan_Window應該小于等于Inquiry_Scan_Interval。
• BT由兩種Hop selection：Basic hop selection和Adapted hop selection (AFH)。Inquiry/Inquiry scan/Inquiry response使用Basic hop selection。兩種Hop selection的差異在于，AFH會將某些有干擾的channel標記為不可用，從而在跳頻的時候避開這些channel。

如果你想了解更多跳頻算法的細節，請閱讀Core Spec, Vol 2, Part B, 2.6 Hop selection。

• 對于basic hop, SELECTION BOX內部如圖Figure 2.16。

• Inquiry Scan/Inquiry/Inquiry response的hop selection控制字(Control word): X, Y1, Y2, A to?F 是由native Bluetooth Clock和GIAC決定的。可以看到, 在Table 2.2中，A to F都是相同的。

• 這些控制字的來源如下。CLKN[27:0]就是native bluetooth clock。它是由一個28 bit counter實現的。這個counter受一個3.2 kHz的時鐘驅動，所以CLKN[27:0]的單位時間是312.5us，即half a time slot。CLKN[0], CLKN[1], CLKN[2]和CLKN[12]分別對應著時間周期312.5us, 625us, 1.25ms和1.28s——這是Bluetooth System中四個重要的時間周期。

最后，歡迎討論交流！

參考文獻：

Bluetooth Core Spec 5.3

Introduction to Bluetooth Classic

總結

以上是生活随笔為你收集整理的经典蓝牙Inquiry过程的跳频的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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