一種藍(lán)牙基帶芯片實(shí)現(xiàn)的系統(tǒng)架構(gòu)

摘要：藍(lán)牙協(xié)議從V0．7到V4．0在安全性、通信速率、低功耗等方面得到增強(qiáng)，結(jié)構(gòu)上有了很大改變。根據(jù)協(xié)議V4．0提出了一種藍(lán)牙基帶的體系架構(gòu)。架構(gòu)將功能和控制部件分開，功能相關(guān)部件融合，以數(shù)據(jù)處理流程為基礎(chǔ)，設(shè)計(jì)模塊的協(xié)同工作關(guān)系，并加入相關(guān)器、命令解析器、控制寄存器、標(biāo)志狀態(tài)寄存器實(shí)現(xiàn)與主機(jī)的通信。針對(duì)協(xié)議引入的AMP和低功耗工作模式，在BR／EDR模式上擴(kuò)充模塊功能并加入新的工作模塊。使架構(gòu)邏輯清晰、功能完善，易于軟件模擬和硬件實(shí)現(xiàn)。
關(guān)鍵詞：藍(lán)牙；基帶；體系結(jié)構(gòu)；LM；LE；AMP

    藍(lán)牙作為短距離通信的一種解決方案，從1998年發(fā)布的藍(lán)牙協(xié)議V0．7，到2009年協(xié)議V4．0的發(fā)布，藍(lán)牙功能和結(jié)構(gòu)有了很大變化，不斷向著更安全、更低耗、更快速的方向發(fā)展。V2．0引入增強(qiáng)型數(shù)據(jù)傳送方式(EDR)使藍(lán)牙傳送速率從1 Mb／s提升到3 Mb／s；V3．0融合了IEEE 802．11協(xié)議，使傳送速率達(dá)到24 Mb／s；V4．0為降低藍(lán)牙的功耗增加了低功耗工作模式。藍(lán)牙基帶是藍(lán)牙協(xié)議最核心最穩(wěn)定的部分。本文根據(jù)協(xié)議V4．0按功能對(duì)藍(lán)牙基帶模塊進(jìn)行架構(gòu)，詳細(xì)闡述藍(lán)牙基帶的工作原理，并扼要說明各協(xié)議版本的新特征對(duì)藍(lán)牙基帶構(gòu)架帶來的影響。

1 藍(lán)牙基帶劃分以及各部分功能
    基帶主要完成編碼、解碼、加密、解密、分組處理和跳頻頻率的生成和選擇，同時(shí)管理同步和異步鏈路、處理數(shù)據(jù)包、尋呼、查詢、連接藍(lán)牙設(shè)備、鑒權(quán)等。藍(lán)牙基帶協(xié)議是電路和分組交換的結(jié)合。圖1是按功能劃分的藍(lán)牙基帶的構(gòu)架圖。

1．1 打包器
    藍(lán)牙的功能是發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，打包器是將上層數(shù)據(jù)按格式組合后通過物理層(PHY)發(fā)送出去，是核心功能部件。圖2為基本速率包的格式。

    圖2中接入碼用于同步、DC偏移補(bǔ)償和標(biāo)識(shí)；分組頭包含鏈路控制消息；凈荷是要傳送的內(nèi)容，為了提高傳送信息的準(zhǔn)確性，要經(jīng)過白化、CRC校驗(yàn)、FEC編碼等檢錯(cuò)糾錯(cuò)過程，為了保證傳送信息的安全性還要對(duì)信息進(jìn)行加密。根據(jù)不同情況，包的具體結(jié)構(gòu)是不同的，BR有15種包格式。V2．0引入了新的信息編碼方式，新增加10種包的格式，包的格式也有所差異，但工作原理是類似的。低功耗工作模式和BR／EDR工作模式在基帶和物理層可以共用，因此加入低功耗工作模式后打包器的結(jié)構(gòu)會(huì)改變。打包器的工作細(xì)節(jié)如下：
    (1)邏輯控制器根據(jù)不同情況控制打包的流程。根據(jù)不同的通信需求，數(shù)據(jù)包的類型大體分為：鏈路控制分組、ACL分組、SCO分組，分別傳送控制信息、異步通信數(shù)據(jù)、同步通信數(shù)據(jù)。定時(shí)器是邏輯控制器的輔助模塊，控制數(shù)據(jù)的處理次序及接入碼、分組頭、凈荷各部分?jǐn)?shù)據(jù)處理和融合的時(shí)間；EDR分組含有同步序列，F(xiàn)HS分組也含時(shí)鐘信息，因此需要系統(tǒng)時(shí)鐘信息。
    (2)包的數(shù)據(jù)信息來源有兩個(gè)：主機(jī)地址、包的類型、上次分組接收的狀態(tài)、接收方的微微網(wǎng)內(nèi)地址等信息從參量寄存器中取得，這些信息主要含在接入碼和包頭中；TX_BUF(發(fā)送緩存器)存儲(chǔ)等待發(fā)送的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)來源于上層部分。
    (3)為了防止信息在傳輸過程中泄露，需要對(duì)信息進(jìn)行加密，密鑰產(chǎn)生器生成加密密鑰，凈荷和加密密鑰在相關(guān)器中完成加密操作。
1．2 解包器
    解包器的主要工作有：檢驗(yàn)接收到的數(shù)據(jù)是否已損壞。把信息從接收到的分組中提取出來。解包器的工作細(xì)節(jié)和相關(guān)模塊的協(xié)同工作關(guān)系為：
    (1)邏輯控制器控制解碼主體流程；參量寄存器提供相關(guān)工作信息，例如微微網(wǎng)的主機(jī)地址以確認(rèn)信息發(fā)送方為網(wǎng)內(nèi)成員，鏈路建立階段也需要向參量寄存器寫入隨機(jī)數(shù)、掃描間隔等信息；定時(shí)器控制解碼流程；密鑰產(chǎn)生器提供解密密碼。
    (2)解碼器首先檢測(cè)接入碼以確認(rèn)接收信息是否為網(wǎng)內(nèi)成員發(fā)送，然后進(jìn)行CRC校驗(yàn)、BCH解碼以檢測(cè)分組是否已損壞，其次檢測(cè)分組頭信息以判斷分組的狀態(tài)。如果檢測(cè)到分組已經(jīng)損壞，將狀態(tài)信息寫入狀態(tài)寄存器中，上層管理器和控制器通過檢查寄存器的信息，決定重傳或放棄分組(主要針對(duì)ACL數(shù)據(jù)傳輸)。分組的信息回饋給邏輯控制器，邏輯控制器根據(jù)分組的類型確定回復(fù)分組的格式以及時(shí)刻，在一定范圍內(nèi)控制重傳和丟棄分組。
    (3)將解碼后的數(shù)據(jù)信息寫入RX_BUF(接收緩存器)中傳給主機(jī)，控制信息直接傳給LM，LE，AMP管理器。
1．3 密鑰產(chǎn)生器
    密鑰產(chǎn)生器的功能有：為鑒權(quán)產(chǎn)生各種密鑰包括初始密鑰、組合密鑰、臨時(shí)密鑰(節(jié)點(diǎn)密鑰在新協(xié)議中已被禁用)；啟動(dòng)加密配置后，產(chǎn)生加密密鑰和解密密鑰；隨機(jī)數(shù)產(chǎn)生器。與相關(guān)模塊的關(guān)系為：
    (1)邏輯控制器。邏輯控制器的主要事務(wù)：?jiǎn)?dòng)鑒權(quán)模式后，根據(jù)通信雙方的狀況控制密鑰產(chǎn)生器生成不同的鏈路密鑰；確定加密密鑰的長(zhǎng)度；根據(jù)不同的工作模式確定產(chǎn)生加密密鑰的類型，BR／EDR模式下密鑰類型為SAFER+，SAFER+是基于現(xiàn)有的64位分組密碼的SAFERSK128，僅使用了字節(jié)運(yùn)算，LE模式下密鑰類型為AES-128。
    (2)ADDR，PIN等數(shù)據(jù)信息從參量寄存器中取得，生成鏈路密鑰或更換密鑰時(shí)需向參量寄存器寫入新的密鑰；定時(shí)器、系統(tǒng)時(shí)鐘控制生成鏈路密鑰的時(shí)序和速率。
    (3)在相關(guān)器中完成密鑰和分組數(shù)據(jù)的加密和解密操作。
1．4 跳頻序列發(fā)生器
    跳頻通信是保障藍(lán)牙通信安全的重要手段。通過控制發(fā)送數(shù)據(jù)所使用的頻率在一個(gè)偽隨機(jī)序列中跳變，達(dá)到預(yù)防信息泄露的效果。其工作相關(guān)部件有：
    (1)控制寄存器和邏輯控制器共同控制跳頻序列的模式是23跳還是79跳；頻率改變的速率；以及是否采用自適應(yīng)性跳頻。在藍(lán)牙協(xié)議的不斷演進(jìn)中，對(duì)跳頻序列發(fā)生器構(gòu)造產(chǎn)生較大影響的修改為：協(xié)議V2．0增加了AHS跳頻模式，摒棄了傳輸質(zhì)量不理想的信道；新加入的LE模式規(guī)定使用40跳模式，廣播和數(shù)據(jù)傳送使用不同信道。
    (2)參數(shù)寄存器提供設(shè)備地址；系統(tǒng)時(shí)鐘提供時(shí)鐘信息；定時(shí)器決定頻率跳變的時(shí)刻。
1．5 相關(guān)器
    相關(guān)器的主要功能是進(jìn)行相關(guān)操作。在鑒權(quán)時(shí)檢驗(yàn)鏈路密鑰是否正確，在打包解包時(shí)完成密鑰和凈荷數(shù)據(jù)的加解密操作。相關(guān)的控制信號(hào)有：時(shí)鐘信號(hào)控制相關(guān)運(yùn)算的速率；參數(shù)寄存器中存有查詢／掃描間隔，和定時(shí)器一起決定鑒權(quán)時(shí)的相關(guān)啟動(dòng)時(shí)刻；邏輯控制器決定加解碼的相關(guān)時(shí)刻。相關(guān)器將相關(guān)后的結(jié)果或送往底層發(fā)送出去或進(jìn)行后續(xù)處理，并將相關(guān)的結(jié)果反饋給邏輯控制器處理或?qū)懭霠顟B(tài)控制器中。
1．6 命令解析器、控制寄存器
    命令解析器是基帶和上層管理模塊實(shí)現(xiàn)通信的部件，擔(dān)當(dāng)著翻譯器的角色。它將LM，LE，AMP管理器的控制信息解析出來，并將控制信息和參數(shù)分別輸入邏輯控制器和控制寄存器?？刂萍拇嫫骼锩娲嬗蟹纸M的類型，管理器的種類等控制信息，它是邏輯控制器工作不可或缺的一部分，也減輕了邏輯控制器的負(fù)擔(dān)。
1．7 緩存器
    基帶和主機(jī)或上層管理器交換數(shù)據(jù)是通過緩存器實(shí)現(xiàn)的，使數(shù)據(jù)不會(huì)因?yàn)閭魉退俾实倪^快或過慢而丟失。緩存器共有接收和發(fā)送兩種類型，每類又各有同步和異步兩種。定時(shí)器和系統(tǒng)時(shí)鐘控制緩存器的切換和數(shù)據(jù)的移入和移出；緩存器連接的兩端分別是打包解包器和LM／LE ／AMP管理器或更上層接口；邏輯控制器控制數(shù)據(jù)的寫入、清空和暫停接收；當(dāng)緩沖器寫滿時(shí)，它通過將狀態(tài)寄存器中相關(guān)標(biāo)志位置位，通知控制器控制暫停接收或傳送。
1．8 標(biāo)志狀態(tài)寄存器
    標(biāo)志狀態(tài)寄存器是用來向上層管理器描述基帶模塊工作狀態(tài)的部件。其主要作用有3個(gè)：
    (1)標(biāo)志緩存器的存儲(chǔ)狀態(tài)。管理器在緩存器滿時(shí)，發(fā)送消息給信息發(fā)送設(shè)備或主機(jī)，通知對(duì)方減慢發(fā)送速度或通知主機(jī)暫緩傳送數(shù)據(jù)。
    (2)在ARQ模式下標(biāo)志傳送數(shù)據(jù)是否已超時(shí)。管理器將根據(jù)情況控制重發(fā)、放棄分組或斷開連接。
    (3)標(biāo)志接收到的分組的狀態(tài)。解包器檢測(cè)到分組已經(jīng)被污染或損壞，將置位標(biāo)志寄存器的相關(guān)狀態(tài)位。

1．9 邏輯控制器
    邏輯控制器是基帶工作的中心控制部件，在定時(shí)器、控制寄存器的配合下，控制協(xié)調(diào)整個(gè)基帶芯片的工作，可以看出它幾乎參與各模塊的控制工作?？刂拼蚪獍拇涡颉⒚荑€的類型、跳頻的跳頻策略和模式、緩存器的開始接收數(shù)據(jù)和暫停、相關(guān)器處理數(shù)據(jù)的來源等。

2 低功耗工作模式
    藍(lán)牙協(xié)議V4．0新加入低功耗工作模式及其相應(yīng)的低功耗管理器LE。由于低功耗模式和BR／EDR模式工作流程和機(jī)制類似，且都使用跳頻通信，因此本文將BR／EDR和LE模式整合在一起以實(shí)現(xiàn)資源共用。但低功耗工作模式和BR／EDR模式相比，也有自己不同的工作特性。
2．1 低功耗模式下的物理層
    從2．402～2．480 GHz均勻分為40個(gè)信道，每個(gè)信道寬2MHz；使用GFSK調(diào)制解調(diào)方式；輸出功率為：0．01～10mw；傳輸速率1 Mb／s。
2．2 LE模式下工作狀態(tài)和數(shù)據(jù)分組的格式
    低功耗模式下有：待機(jī)、初始化、掃描、連接、廣播5種工作狀態(tài)，狀態(tài)轉(zhuǎn)換圖如圖3所示。分組的基本模式如圖4所示。凈荷部分的數(shù)據(jù)處理流程為：加密、CRC校驗(yàn)、白化。低功耗模式下數(shù)據(jù)加密采用AES-128方式。這種編譯碼方式重在預(yù)防密碼分析攻擊，而不是蠻力攻擊。
    (1)安全性。需要進(jìn)行2 128次測(cè)試才能找到密鑰，對(duì)統(tǒng)計(jì)攻擊、差分、線性攻擊有很強(qiáng)的防御作用。
    (2)可執(zhí)行性。AES在軟件、硬件、固件上都可執(zhí)行。
    (3)復(fù)雜性和費(fèi)用。算法簡(jiǎn)單，存儲(chǔ)量很小。

3 AMP通信模式
    藍(lán)牙協(xié)議V3．0融合了IEEE 802．11協(xié)議，使藍(lán)牙的傳輸速度達(dá)到24 Mb／s。由于AMP通信模式和BR／EDR在物理層和工作機(jī)制上有較大不同，因此在構(gòu)架上將其與BR／EDR和LE兩種模式分離。
    (1)AMP模式不再只采用跳頻通信，而加入了直接序列擴(kuò)頻通信。采用增強(qiáng)速率物理層(EPR)，使用2．4 GHz和5 GHz兩個(gè)頻率段。
    (2)媒介訪問控制層(MAC)位于各式物理層之上，控制數(shù)據(jù)的傳輸，負(fù)責(zé)核心成幀操作以及與有限骨干網(wǎng)絡(luò)之間的交互，因此它在功能上相當(dāng)于BR／EDR模式的鏈路控制層。
    (3)AMP模式和LE、BR／EDR模式是相互聯(lián)系和影響的。AMP通信是在ACL鏈路建立起來后，所以AMP管理器要通過BR／EDR模式建立起ACL信道并完成鑒權(quán)，再進(jìn)行AMP通信。由于802．11和802．15協(xié)議共同使用2．4 GHz頻段，所以PAL層要隔離兩者對(duì)相互的干擾。BR／EDR通信的優(yōu)先級(jí)要高于AMP通信。

4 結(jié)語
    本文根據(jù)藍(lán)牙最新協(xié)議V4．0提出對(duì)藍(lán)牙基帶部分的一種架構(gòu)模式，著重闡述各模塊的功能和模塊間的協(xié)作關(guān)系。結(jié)構(gòu)只涉及了藍(lán)牙基帶的主體模塊，藍(lán)牙語音調(diào)制模塊未含在內(nèi)。針對(duì)協(xié)議V3．0和V4．0的新特性，文中進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹，重點(diǎn)分析了新特性帶給藍(lán)牙基帶在低版本協(xié)議基礎(chǔ)上結(jié)構(gòu)和功能的變化。