蓝牙基础(三)：蓝牙信道、跳频与选择算法

liwen01 2025.06.01
前言

蓝牙工作在 2.4GHZ ISM 频段，它与 2.4G WiFi 处于相同的频段。在经典蓝牙与 BLE 蓝牙之间，信道数、信道带宽、跳频机制、信道用途上都存在很大的区别。
这里我们将介绍蓝牙的信道、跳频、以及信道的选择算法。
（一）经典蓝牙信道

经典蓝牙信道带宽 1Mhz，从信道 ch0~ch78，合计共 79 个信道分布在 2400 ~2483.5 MHz（ISM）频段。
在未连接前，经典蓝牙使用的是79个信道中的32个信道进行广播和配对（Inquiry Scan/Page Scan 阶段）
配对连接成功之后，则会使用全部 79 个信道，包括控制包和数据包都通过这 79 个信道交换。
（1） 经典蓝牙通道类型

在经典蓝牙中，信道分为 5 类：
通道类型使用的信道数量使用的信道编号（示例）用途说明Inquiry Scan32个0~78中选出的32个设备发现Page Scan32个0~78中选出的32个等待连接Basic Piconet全部79个0~78（完整跳频）正常通信Adapted Piconet介于20~79个从0~78中筛选（AFH调整）通信避干扰Synchronization Scan1个单一广播信道（由广播端选择）同步广播接收

• Inquiry Scan & Page Scan：用于设备发现和连接前阶段。
  
• Basic/Adapted Piconet：连接后使用，用于正常或干扰优化通信。
  
• Synchronization Scan：专为同步广播设计，用于周期性接收广播数据。
  

（2）Inquiry Scan（发现设备）

Inquiry Scan 通道的作用是用于设备被发现（被查询） 的场景。
主要特点：

• 使用32个预定义的跳频信道（在79个信道中选出）。
  
• 设备周期性地监听 Inquiry 信号。
  
• 当其他设备发起 Inquiry 请求时，处于 Inquiry Scan 状态的设备会响应。
  
• 通过该通道，设备能被发现，但还未建立连接。
  

主要适用场景：设备广播“我在这”，以供其他设备查询时使用。
（3）Page Scan（连接目标设备）

Page Scan 通道的作用是用于设备等待被连接（被寻呼）的场景。
主要特点：

• 设备处于“可连接”状态时，周期性地监听特定跳频上的寻呼信号。
  
• 主设备在这 32 个信道中跳频发送 Page 请求
  
• 主设备使用 Page Channel 向从设备发起连接。
  
• 从设备在这个通道上扫描寻呼请求。
  

主要适用的场景：从设备等待主设备发起连接。
（4）Basic Piconet Channel

Basic Piconet Channel是设备连接成功后，用于主从之间数据传输的主要物理通道。
主要特点：

• 由一个主设备控制跳频序列。
  
• 所有从设备跟随主设备的跳频。
  
• 使用所有79个信道（0~78）。
  

主要适用场景是：连接状态下的正常通信。
（5）Adapted Piconet Channel

Adapted Piconet 通道是 Basic Piconet 的一个变种，适用于跳频受限环境（如 Wi-Fi 干扰）。
主要特点：

• 用于连接状态下通信。
  
• 跳频图是根据频道质量评估动态调整的（Adaptive Frequency Hopping, AFH）。
  
• 跳频图会剔除干扰严重的信道。
  
• 动态选择部分信道（例如剔除干扰频段，可能只用20~60个）
  

主要适用场景：存在2.4GHz 环境有干扰时的通信场景。
（6）Synchronization Scan Channel（同步扫描通道）

Synchronization Scan 通道用于支持同步从设备（如耳机、音箱）保持与主设备的同步，尤其是在广播传输时。
主要特点：：

• 用于收听周期性广播（如 synchronized broadcast）。
  
• 从设备周期性唤醒并监听同步广播信号。
  
• 支持低功耗同步接收。
  

主要适用场景：单向广播同步，如广播音频等。
（二）BLE 低功耗蓝牙信道

BLE蓝牙为了更好地适应低功耗、低成本、小数据量传输的需求，以便能更好地适配物联网设备，BLE蓝牙在经典蓝牙基础上减少了信道数、增加了信道宽度。
但 BLE 蓝牙在抗干扰性和数据速率方面有做了部分的取舍。
（1）BLE蓝牙信道类型

BLE 蓝牙与经典蓝牙都是工作在 2400 ~2483.5 MHz(ISM) 频段，BLE 蓝牙将 ISM 频段分为带宽为 2Mhz 的 ch0~ch39 共 40 个信道。
这 40 个信道编号并不是连续的。其中37、38、39 为广播信道，分布在不同的位置。
为何 37、38、39 三个广播信道会分布在不同位置？
主要原因是蓝牙与 2.4G WiFi处于同一个工作频段，为了尽可能地避免 WiFi 对蓝牙的干扰，所以将三个广播信道布置到了 WiFi 信道的"缝隙"中。

上图可以看出 BLE 的37、38、39 信道，实际是分布在WiFi 1、6、11 信道的"缝隙"处。
WiFi 信道相关的知识可以查看之前 WiFi 系列文章中的《WiFi基础(二)：最新WiFi信道、无线OSI模型与802.11b/g/n》

当蓝牙与 WiFi 在同一个空间工作时，从频谱图中可以明显地看到蓝牙的广播信道频谱。

随着时间的变化，也可以看到一段时间上各信道的利用率。其中蓝牙广播信道的使用率还是挺高。
（2）经典 VS BLE 蓝牙信道

蓝牙技术的发展从 BR/EDR（Basic Rate/Enhanced Data Rate） 到 BLE（Bluetooth Low Energy），其物理信道数量由 79个（在BR/EDR中）减少为 40个（在BLE中），在功耗、成本、信道重叠上有优势，但在吞吐量、抗干扰方面又有明显不足。
BLE 蓝牙信道优势：

• 简化射频设计：2 MHz 宽度、40 个信道更适合低成本实现。
  
• 更快建立连接：3 个固定广播信道，有利于快速扫描与连接。
  
• 节能优化：信道规划简化通信过程，有助于降低功耗。
  
• 减少与Wi-Fi干扰：合理分布的信道避免与 Wi-Fi 常用信道冲突。
  

BLE 蓝牙信道劣势：

• 抗干扰能力略弱：跳频范围变窄，在复杂无线环境下易受影响。
  
• 最大吞吐量较低：不适合大数据量或高质量音频/视频传输（不过BLE Audio在BLE 5.2中已部分改进）。
  
• 兼容性问题：早期BLE设备不支持BR/EDR，应用需要按场景选择。
  

简而言之就是：经典蓝牙使用 1Mhz 带宽 79 信道，BLE 使用2Mhz 带宽 40 信道。BLE 蓝牙减少了信道数、增加了信道宽度，使得BLE蓝牙在低功耗、低成本、小数据量传输中占据优势，但在抗干扰性和数据速率方面又有所牺牲。
（三）跳频技术

为了提高通信的抗干扰和提升频谱的利用率，蓝牙使用了 FHSS 和 AFH 跳频技术
（1）FHSS 跳频扩频（Frequency Hopping Spread Spectrum）

蓝牙从一开始的1.0版本就有使用跳频技术，当时使用的是 FHSS 技术。
FHSS 是一种扩频技术，它通过在多个频率信道间快速切换（跳频）来发送数据，从而提高抗干扰能力和通信安全性。
FHSS 跳频扩频的优点

• 抗干扰能力强：跳频特性使信号不在一个频率上长时间停留，能规避某些短时干扰。
  
• 提高通信安全性：频率不断变化，监听者难以持续跟踪完整的数据流，提高抗监听能力。
  
• 抗多径效应：跳频可以避免由于多径效应导致的某一频率点的严重衰减。
  
• 实现简单、成本低：在早期硬件平台上易于实现，对处理器和协议要求较低。
  

FHSS 跳频扩频的缺点：

• 容易跳入受干扰信道：跳频是随机或伪随机的，可能跳到被 Wi-Fi 或其他设备强干扰的频率上，影响通信质量。
  
• 无适应能力：不能根据环境自动优化跳频序列，效率低于后来的自适应跳频技术。
  
• 频谱利用率不高：所有信道都参与跳频，即使某些信道质量很差，也仍可能使用。
  

（2）AFH 自适应跳频（Adaptive Frequency Hopping ）

虽然 FHSS 能提高抗干扰能力，但在 2.4 GHz 频段中，有很多其他设备（如 Wi-Fi、微波炉、Zigbee）也在使用相邻或相同频率，可能造成干扰。
为了解决该问题，从 蓝牙 1.2 开始，引入了 AFH 技术
AFH 的核心思想是：
AFH 会检测信道质量，自动将受干扰严重或质量差的信道从跳频序列中排除，只在“良好信道”之间跳频，从而提升通信质量。
AFH 自适应跳频的优点：

• 避开干扰频率：自动检测和屏蔽受干扰或高误码率的信道，显著提高通信稳定性和吞吐率。
  
• 与 Wi-Fi 等共存能力强：能主动避开 Wi-Fi 使用的 2.4GHz 频段（如信道 1、6、11），减少蓝牙与 Wi-Fi 的冲突。
  
• 动态适应能力强：能根据实时环境变化，更新跳频序列，应对移动设备和复杂无线环境。
  
• 提高实际传输效率：由于减少了因信道干扰而导致的重传，提升了有效数据速率。
  

AFH 自适应跳频的缺点

• 实现更复杂：需要主设备监测信道质量、动态维护信道列表，增加了协议栈复杂度和资源消耗。
  
• 依赖主从协同跳频：主设备做决策并同步从设备，若同步失效，通信会中断。
  
• 受限于信道总数减少：剔除“坏信道”后，可用信道减少，可能导致频谱利用率下降、跳频图变得不均匀。
  

FHSS 与 AFH的应用
在经典蓝牙中，设备刚连接上时，使用的是Basic Piconet Channel 通道进行数据交互，实际使用的是 FHSS 跳频机制在0~79信道之间跳转。
如果开启了AFH功能，蓝牙模块会去检测信道的质量，将质量不好的信道剔除，也就是Adapted Piconet Channel 信道。它使用的是BR/EDR 80个信道中的部分信道进行数据交互。
在蓝牙中，生成跳频序列的算法有两种：

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

下面我们介绍这两种算法在BLE中的使用。
（四）信道选择算法

在BLE通信中，设备通过跳频（Frequency Hopping）在多个数据通道之间切换，以减少干扰并提高通信可靠性。
CSA#1和CSA#2定义了数据包应跳转到哪个通道。
（1）CSA#1 （Channel Selection Algorithm #1）

CSA#1 是蓝牙早期版本（如 Bluetooth 4.0 及之前）中使用的信道选择算法。
特点：

• 基于事件计数器（Event Counter）。
  
• 线性跳频：通过一个简单的公式，在37个数据通道中进行伪随机跳变。
  
• 不可自适应：无法避开存在干扰的信道。
  

跳频的公式为：

1. channel_index = (event_counter + hop_increment) % 37

复制代码

hop_increment 为配对时选定的跳频因子（范围是1~36，不能被37整除）

上图可以看出CSA#1算法跳频的线性变化。
CSA#1优势：

• 实现简单： 算法逻辑相对简单，计算量低，适合资源受限的设备（如低端MCU）。
  
• 兼容性强： 是 BLE 4.0/4.1 的默认跳频算法，几乎所有 BLE 设备都支持。
  
• 跳频快速： 跳频速度快，延迟小，有助于低延迟通信。
  

CSA#1劣势：

• 跳频模式较为可预测，安全性较低。
  
• 容易受干扰，因为不能跳过信号质量差的通道。
  
• 在高干扰环境（如 Wi-Fi 重叠）下表现较差。
  

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

CSA#2 算法在蓝牙5.0 之后版本广泛使用，旨在提高蓝牙的抗干扰性和安全性。
特点：

• 更加随机、抗干扰性更强。
  
• 支持信道映射表（Channel Map），跳过受干扰的通道。
  
• 基于AES-like加扰运算：提高安全性和随机性。
  

算法大致流程：

• 使用一个 event_counter 和 access_address 作为种子，经过非线性变换（例如基于 AES 的混淆函数）生成一个伪随机数。
  
• 将该伪随机数对可用通道数量取模，得到目标信道索引。
  
• 使用当前的 信道映射表（channel map）来找出实际要跳转的通道。
  

从上图可以看出，使用CSA#2之后，信道跳转是非线性的。
CSA#2优势：

• 抗干扰能力强： 使用 AES 加密生成伪随机跳频序列，难以预测，抗干扰性和安全性大幅提升。
  
• 频谱使用均匀： 所有可用频道使用更均匀，避免某些频道过度使用，提高系统稳定性。
  
• 安全性更高： 序列与连接参数相关，外部无法预测，有助于防止干扰和嗅探攻击。
  
• 支持动态黑名单： 可以动态地排除受干扰的频道（结合 Adaptive Frequency Hopping, AFH）。
  

CSA#2缺点：

• 实现复杂： 依赖加密算法（如 AES-128），计算复杂度高，对硬件资源有更高要求。
  
• 兼容性要求更高： 旧设备（BLE 4.0/4.1）可能不支持 CSA#2，需协商降级使用 CSA#1。
  
• 稍微增加功耗： 计算量增大可能略微提升能耗，尤其是在资源紧张的低功耗设备中。
  

CSA#1 VS CSA#2
特性CSA#1CSA#2引入版本BLE 4.0/4.1BLE 4.2（广泛用于 BLE 5.0+）抗干扰能力一般强跳频序列可预测性高（易预测）低（伪随机）计算复杂度低高（需要加密运算）实现简易性简单较复杂通道使用均匀性差好兼容性与所有 BLE 设备兼容需要 BLE 4.2 及以上设备支持（3）信道质量判断

所有的无线设备，包括蓝牙和 WiFi，都无法在发送数据的同时检测当前信道是否繁忙，而是通过过往数据的收发情况进行分析判断。
信道质量的衡量指标
蓝牙控制器通过以下方式判断某个信道是否“质量差”：
（1）包错误率（PER, Packet Error Rate）

• 某个信道上发送的包中，有多少是被接收方认为损坏的（如CRC校验失败）。
  
• 通常以“百分比”表示，比如 PER > 10% 可认为质量较差。
  

（2）重传次数（Retransmissions）

• 如果某个信道频繁需要重传，说明它信号质量差。
  

（3）接收信号强度（RSSI）

• 蓝牙设备能检测接收到的信号强度；RSSI太低表示信道质量差。
  
• 但RSSI不总是直接用来决定跳频行为，更多用于优化连接。
  

（4）信道利用率或干扰检测

• 某些蓝牙控制器具备检测频道是否被Wi-Fi等占用的能力（频谱扫描或能量检测）。
  

蓝牙控制器维护一个信道分类表（Channel Classification Map），将信道分为：

• Good（好）：当前通信表现稳定；
  
• Bad（差）：通信包错误率高、干扰严重；
  
• Unknown（未知）：未被使用或未测量；
  

蓝牙主设备定期上报这个分类表给从设备，确保主从设备使用同一跳频序列。
（五）蓝牙信道未来发展

从蓝牙联盟官方网站上看，蓝牙是有在规划 5 GHz 和 6 GHz 频段的使用，但是没有给出明确的推出时间。
规划5 GHz 和 6 GHz的目的是：更高的数据吞吐量、更低的延迟、更高的定位精度以及更好的共存性。
蓝牙规范的推出，再到用户能用的实际产品，中间会有个代差。可以确定的是，短时间内应该大家是还看不到 5 GHz 和 6 GHz 蓝牙的应用。
结尾

本章主要介绍了经典蓝牙和BLE蓝牙的物理信道，以及它们的调频技术、信道选择算法。下一章将介绍蓝牙的连接过程。
 
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