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 Scan	32个	0~78中选出的32个	设备发现
Page Scan	32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 Scan	1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：

复制代码

channel_index = (event_counter + hop_increment) % 37

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#1	CSA#2
引入版本	BLE 4.0/4.1	BLE 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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