【p2p、分布式，区块链笔记 MESH】Bluetooth蓝牙通信拓扑与操作 BR/EDR(经典蓝牙)和 BLE

• 蓝牙技术定义了两种主要的网络拓扑结构，分别适用于不同的蓝牙模式：BR/EDR（Basic Rate/Enhanced Data Rate，经典蓝牙） 和 BLE（Bluetooth Low Energy，低功耗蓝牙）。每种模式支持特定类型的网络拓扑，这些拓扑结构决定了设备之间如何连接和通信。

1. BR/EDR（经典蓝牙）网络结构

微微网（Piconet）

• 组成：一个微微网由一个主设备（Central）和最多七个活动的从设备（Peripheral）组成。
• 特点：
  • 所有设备在同一个微微网中共享相同的物理信道，并通过统一的时钟和跳频序列进行同步。
  • 主设备控制整个网络的时间分配，并决定何时允许哪个从设备发送数据。
  • 多个微微网可以在同一区域内共存，每个微微网使用不同的主设备和独立的时钟及跳频序列。
• 扩展性：一个设备可以同时参与多个微微网，形成所谓的散射网（Scatternet），但一个设备不能同时作为多个微微网的主设备。

散射网（Scatternet）

• 概念：当一个设备同时参与两个或更多的微微网时，就形成了散射网。
• 实现方式：通过时间分片（Time Division Multiplexing）的方式在不同的微微网间切换，以实现多微微网的同时参与。
• 限制：一个设备只能作为一个微微网的主设备，但在多个微微网中可以担任从设备角色。

蓝牙 BR/EDR 拓扑结构示意图

• 每当使用 BR/EDR 控制器建立一个连接时，该连接都是在一个称为 微微网（piconet） 的上下文中进行的。每个连接都涉及两个设备，分别称为 “主设备（Central）” 和 “从设备（Peripheral）”。一个微微网由一个唯一的主设备（称为该微微网的主设备）以及所有与其相连的从设备（称为该微微网中的从设备）组成。

• 已连接的 BR/EDR 设备通过在同一个物理信道上通信，并通过一个共同的时钟和跳频序列进行同步。这个公共的（微微网）时钟与微微网主设备的蓝牙时钟相同，而跳频序列则由主设备的时钟和蓝牙设备地址生成（不同的从设备可能使用不同的跳频序列）。

• 多个独立的微微网可以在彼此邻近的区域内共存。每个微微网使用不同的物理信道（即不同的主设备，以及独立的时间和跳频序列）。

• 一个蓝牙设备可以同时参与两个或多个微微网，这是基于时分复用的方式实现的。但一个蓝牙设备永远不能作为多个微微网的主设备。（因为在 BR/EDR 模式下，微微网是通过同步到主设备的蓝牙时钟来定义的，所以不可能同时作为两个或多个微微网的主设备。）一个蓝牙设备可以作为多个相互独立的微微网中的从设备。

• 如果一个蓝牙设备是两个或多个微微网的成员，则称其处于 散射网（scatternet） 状态。但参与散射网并不一定意味着该蓝牙设备具备任何网络路由能力或功能。蓝牙核心协议本身并不、也无意提供此类功能；这类功能属于更高层协议的责任范畴，并超出了蓝牙规范的范围。

• 在图 4.1 中展示了一个示例拓扑结构，用以说明以下描述的一些架构特性。

  • 设备 A 是一个微微网（阴影区域表示）中的主设备（称为微微网 A），设备 B、C、D 和 E 是该微微网中的从设备。图中还展示了另外三个微微网：

    • a) 一个由设备 F 作为主设备（称为微微网 F）组成的网络，设备 E、G 和 H 是它的从设备；
    • b) 一个由设备 D 作为主设备（称为微微网 D）组成的网络，设备 J 是它的从设备；
    • c) 一个由设备 M 作为主设备（称为微微网 M）组成的网络，设备 E 是其中一个从设备，还有多个设备 N 也是从设备。

• 在 微微网 A 中存在两个物理信道：

  • 设备 B 和 C 使用的是基本微微网物理信道（用蓝色框表示），因为它们不支持自适应跳频（Adaptive Frequency Hopping）；
  • 设备 D 和 E 支持自适应跳频，因此使用了经过调整的微微网物理信道（用红色框表示）；
  • 设备 A 同样支持自适应跳频，并根据当前通信的从设备，在这两个物理信道上以时分复用（TDM）的方式进行操作。

• 微微网 D 和 微微网 F 都仅使用基本微微网物理信道（分别用青色和品红色框表示）：

  • 在微微网 D 中，这是因为从设备 J 不支持自适应跳频模式。尽管设备 D 支持自适应跳频，但在该微微网中无法使用它；
  • 在微微网 F 中，主设备 F 本身不支持自适应跳频，因此该微微网也无法使用这种模式。

• 微微网 M（用橙色框表示）使用了一种无连接外围广播物理链路（Connectionless Peripheral Broadcast physical link），通过自适应微微网物理信道，将配置文件广播数据（Profile Broadcast Data）从发送设备 M 发送至多个接收设备（包括设备 E 和多个设备 N）。

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• 设备 K 与其他设备位于同一区域，但它目前不是任何微微网的成员。它提供了某些服务供其他蓝牙设备使用，目前正监听其“查询扫描物理信道”（用绿色框表示），等待来自其他设备的查询请求。

• 设备 L 同样位于同一区域，但目前也不是任何微微网的成员。它正在监听其“同步扫描物理信道”（用棕色框表示），等待来自其他设备的同步训练序列（Synchronization Train）。

2. BLE（低功耗蓝牙）网络结构

广播器与观察者（Broadcaster and Observer）

• 广播器（Broadcaster）：专门用于广播数据的设备，不接收来自其他设备的数据。
• 观察者（Observer）：监听并接收来自广播器的数据，但不发起连接请求。
• 用途：这种结构常用于信息推送、广告牌等不需要双向交互的应用场景。

外围设备与中心设备（Peripheral and Central）

• 外围设备（Peripheral）：类似于BR/EDR中的从设备，提供服务供中心设备发现并连接。
• 中心设备（Central）：主动搜索并连接外围设备，类似于BR/EDR中的主设备。
• 特点：一个中心设备可以同时连接多个外围设备，但外围设备通常只能与一个中心设备建立连接。

蓝牙 BLE 拓扑结构示意图

• 在图 4.2 中展示了一个示例拓扑结构，用以说明下面描述的一些 低功耗蓝牙（LE）架构特性。图中实线箭头表示从主设备（Central）指向从设备（Peripheral）的数据流向；虚线箭头表示连接发起方向，从发起者（Initiator）指向广播者（Advertiser），用于表示通过可连接的广播事件（connectable advertising event）建立连接的过程；使用星号标注的设备表示正在广播的设备。

• 设备 A 是两个微微网（由阴影区域表示）中的主设备（Central），设备 B 和 C 分别是其对应的从设备（Peripheral）。 与 BR/EDR 的从设备不同，BLE 的从设备 不与主设备共享同一个微微网或物理信道，而是每个从设备都通过独立的物理信道与主设备进行通信。

• 图中还显示了另一个微微网，其中设备 F 是主设备，设备 G 是从设备。

• 设备 K 处于一个散射网（Scatternet）中：

  • 它是一个微微网的主设备，设备 L 是它的从设备；
  • 同时它也是另一个微微网的从设备，设备 M 是主设备。

• 设备 O 也处于散射网中：

  • 它是两个不同微微网的从设备，分别连接到主设备 P 和 Q。

• 图中还展示了另外五组设备：

  1. 设备 D 是广播者（Advertiser），设备 A 同时也是发起者（Initiator）。
  2. 设备 E 是扫描者（Scanner），设备 C 也是广播者（Advertiser）。
  3. 设备 H 是广播者，设备 I 和 J 是扫描者。
  4. 设备 K 也是广播者，设备 N 是发起者。
  5. 设备 R 是广播者，设备 O 也是发起者。

• 设备 A 和 B 使用一个 LE 微微网物理信道（用蓝色框和深灰色背景表示）；

• 设备 A 和 C 使用另一个 LE 微微网物理信道（用蓝色框和浅灰色背景表示）。

• 设备 D 正在广播物理信道上使用可连接广播事件进行广播（用绿色框表示），设备 A 是发起者。设备 A 可以与设备 D 建立连接，从而形成一个新的微微网。

• 设备 C 也在广播物理信道上进行广播（用橙色框表示），使用任何类型的广播事件，并被作为扫描者的设备 E 所捕获。设备 C 和 D 可能使用不同的广播 PHY 信道或不同的时间安排来避免冲突。

• 设备 F 和 G 使用一个 LE 微微网物理信道（用青色框表示），其中设备 F 是主设备，G 是从设备。

• 设备 H、I 和 J 使用 LE 广播物理信道（用紫色框表示），其中设备 H 是广播者，I 和 J 是扫描者。

• 在涉及设备 K 的散射网中：

  • 设备 K 和 L 使用一个微微网及 LE 微微网物理信道；
  • 设备 K 和 M 使用另一个微微网及 LE 微微网物理信道；
  • 设备 K 还在广播物理信道上使用可连接广播事件进行广播，设备 N 是发起者；
  • 设备 N 可以与设备 K 建立连接，使设备 K 同时成为一个主设备和两个从设备。

• 在涉及设备 O 的散射网中：

  • 设备 O 和 P 使用一个微微网及 LE 微微网物理信道；
  • 设备 O 和 Q 使用另一个微微网及 LE 微微网物理信道；
  • 设备 R 在广播物理信道上使用可连接广播事件进行广播，设备 O 是发起者；
  • 设备 O 可以与设备 R 建立连接，使设备 O 同时成为两个从设备的主设备和一个主设备的从设备。

网状网络（Mesh Network）

• 简介：BLE Mesh 是一种特殊的网络结构，允许大量设备之间互相通信，而不仅仅局限于一对多或多对一的关系。
• 有关网状网络请移步：
  • https://www.bluetooth.com/specifications/specs/?types=specs-docs&keyword=Mesh&filter=
  • 【p2p、分布式，区块链笔记 MESH】Bluetooth蓝牙通信 BLE Mesh协议的拓扑结构 & 定向转发机制
• 特点：
  • 设备之间可以通过多跳路由的方式传递消息，从而覆盖更大的区域。
  • 每个节点都可以充当消息的中继，增强了网络的可靠性和扩展性。
  • BLE Mesh 主要应用于智能家居、照明系统等领域，需要支持复杂的组网需求。

3. 对比与总结

特性/网络类型	Piconet (BR/EDR)	Scatternet (BR/EDR)	Peripheral/Central (BLE)	Broadcast/Observer (BLE)	Mesh Network (BLE)
最大设备数	1 Central + 7 Active Peripherals	多微微网共存，理论上无限	1 Central 可连多个 Peripheral	单向通信，数量不限	理论上无限
通信模式	双向通信	时间分片双向通信	双向通信	单向广播	多跳双向通信
应用场景	音频流、文件传输	复杂设备互联	数据采集、传感器网络	信息发布、定位	智能家居、工业自动化
特点	需要同步时钟和跳频序列	设备可跨多个微微网	支持低功耗操作	不需要连接	自愈能力强

CG

• Core Specification Chapter 4 COMMUNICATION TOPOLOGY AND OPERATION