1. 前言

自1994年由愛立信推出至今，藍芽技術已經走過了20個歲月。從最初的Bluetooth V1.0，到Bluetooth V4.0（最新的為V4.1，2013年底釋出），經歷了近9個版本的修訂後，發展為當前的狀況。

說實話，如今的藍芽4.1，簡直是一個大雜燴：BR/EDR沿用舊的藍芽規範；LE抄襲802.15.4；AMP直接使用802.11。而這一切的目的，就是以相容性和易用性為基礎，在功耗和傳輸速率之間左右為難。蝸蝸以為，這並不是優雅的設計。

不過沒關係，存在即合理。因此蝸蝸就開出了這樣一個專題，希望能夠將藍芽技術上上下下的知識，整理出來，以便在加深自己對藍芽技術的理解的同時，能夠給從事藍芽相關工作的讀者一點啟發。

本文是這個專題的第一篇文章，主要基於藍芽4.1規範（Core_V4.1.pdf），描述藍芽技術的基本概念。

2. 藍芽技術的概述

2.1 兩種藍芽技術：Basic Rate（BR）和Low Energy（LE）

藍芽協議包括兩種技術：Basic Rate（簡稱BR）和Low Energy（簡稱LE）。這兩種技術，都包括搜尋（discovery）管理、連線（connection）管理等機制，但它們是不能互通的！這也是蝸蝸抱怨藍芽協議不優雅的原因之一。

廠商要麼實現這兩種技術中的一種，這時就只能和同樣實現了這個技術的裝置互通，而不能和實現另外一種技術的裝置互通。如果廠商要確保能和所有的藍芽裝置互通，那麼就只能同時實現兩種技術，而不去管是否真的需要，這樣就能碰到什麼人說什麼話了！

2.1.1 Basic Rate(BR)

Basic Rate是正宗的藍芽技術，可以包括可選（optional）的EDR（Enhanced Data Rate）技術，以及交替使用的（Alternate）的MAC（Media Access Control）層和PHY層擴充套件（簡稱AMP）。說著真拗口，不過通過背後的應用場景，就好理解了：

藍芽誕生之初，使用的是BR技術，此時藍芽的理論傳輸速率，只能達到721.2Kbps。在那個年代，56Kbps的Modem就是高大上了，這個速度可以說是驚為天人了啊！但是科技變化太快了，BR技術轉眼就過時了。那怎麼辦呢？縫縫補補一下，增強速度唄，Enhanced Data Rate就出現了。

使用EDR技術的藍芽，理論速率可以達到2.1Mbps。這一次的升級換代，還算優雅，因為沒有改變任何的硬體架構、軟體架構和使用方式上的改變。

也許你也猜到了，EDR又落伍了，看看人家WIFI（WLAN），幾十Mbps，上百Mbps，咱們才2.1Mbps，也太寒酸了吧！那怎麼辦呢？藍芽組織想了個壞主意：哎，WIFI！把你的物理層和MAC層借我用用唄！這就是AMP（Alternate MAC and PHY layer extension）。艾瑪，終於鬆口氣了，我們可以達到54Mbps了。

不過呢，由於藍芽自身的物理層和AMP技術差異太明顯了，這次擴充套件只能是交替使用（Alternate）的，也就是說，有我（BR/EDR）沒你（AMP）。嗯！不優雅！

埋個問題：只能交替使用，那它們怎麼切換呢？蝸蝸會在後續的內容中，根據主流藍芽晶片的解決方案，來探討一下該問題。

【注1：細心的讀者可能會注意到，這裡特別強調了optional和alternate這兩個字眼，這是藍芽Spec的原話。它意味著，BR和EDR是可以同時存在的，但BR/EDR和AMP只能二選一。】

2.1.2 Low Energy（LE）

上面所講的BR技術的進化路線，就是傳輸速率的加快、加快、再加快。但能量是守恆的，你想傳的更快，代價就是消耗更多的能量。而有很多的應用場景，並不關心傳輸速率，反而非常關心功耗。這就是Bluetooth LE（稱作藍芽低功耗）產生的背景。

LE技術相比BR技術，差異非常大，或者說就是兩種不同的技術，湊巧都加一個“藍芽”的字首而已。後面我們會詳細的解釋這種差異，以及LE的行為特徵。

2.2 藍芽系統的組成

藍芽系統的組成，涉及到Bluetooth Application、Bluetooth Core、Bluetooth Host、Bluetooth Controller等詞彙，不知道是因為對英文理解的歧義，還是因為藍芽規範本身定義的歧義，蝸蝸理解這些詞彙時感覺有點彆扭。因此特意在這個章節中，對相關概念及其背後的意義進行說明。

上圖描述了藍芽系統的組成， 我們需要注意如下特點：

1）圖中所描述的藍芽系統的組成部分，如Bluetooth Core和Bluetooth Application，如Host和Controller，都是指“邏輯實體”。所謂的“邏輯實體”，需要和日常生活中的“物理實體”區隔開。如在做電路設計時，一個藍芽晶片、一個主控CPU，就是指物理實體。而藍芽協議所描述的這些“邏輯實體”，不一定會和物理實體一一對應，如在實際應用中，Host和Bluetooth Application可能會位於同一個物理實體中（主控CPU），而Controller單獨位於另一個物理實體中（藍芽晶片）。

2）藍芽協議規定了兩個層次的協議，分別為藍芽核心協議（Bluetooth Core）和藍芽應用層協議（Bluetooth Application）。藍芽核心協議關注對藍芽核心技術的描述和規範，它只提供基礎的機制，並不關心如何使用這些機制；藍芽應用層協議，是在藍芽核心協議的基礎上，根據具體的應用需求，百花齊放，定義出各種各樣的策略，如FTP、檔案傳輸、區域網等等。

3）Bluetooth Core由兩部分組成，Host和Controller。這兩部分在不同的藍芽技術中（BR/EDR、AMP、LE），承擔角色略有不同，但大致的功能是相同的。Controller負責定義RF、Baseband等偏硬體的規範，並在這之上抽象出用於通訊的邏輯鏈路（Logical Link）；Host負責在邏輯鏈路的基礎上，進行更為友好的封裝，這樣就可以遮蔽掉藍芽技術的細節，讓Bluetooth Application更為方便的使用。

4）在一個系統中，Host只有一個，但Controller可以一個，也可以有多個。如：單獨的LE Controller；單獨的BR/EDR Controller；單獨的LE+BR/EDR Controller；在單獨的BR/EDR Controller或LE+BR/EDR Controller基礎上，增加一個或多個額外的AMP Controller。

【注2：有關Bluetooth Core的詳細描述，蝸蝸會在下一篇文章中描述，本文就不再深入介紹了。】

3. BR/EDR vs LE vs AMP

我們先從下面圖片對BR/EDR、AMP和BLE三種技術有些更進一步的認識（點選這裡可以檢視放大後的原圖）：

該圖片是對Bluetooth Core的一個Overview，從RF的Physical Channel，到Baseband的Physical Link、Logical Link、LMP、L2CAP等概念，都有一些粗略的介紹。由該圖片可以看出，BR/EDR、AMP、BLE等技術有如下的特點：

1）BR/EDR技術，過於側重“點對點”通訊，以至於雖然在協議的底層（如Logical Link）有提及多播（Unidirectional）和廣播（Broadcast）的概念，但在上層的應用場景中，幾乎不存在（也不可能存在）相應的應用。

2）但隨著物聯網的發展，業界對簡單的、不需要連線的多播或廣播通訊的需求越來越迫切，因此BLE技術在RF和Baseband的協議中，就做出了修改，以適應這種需求，即：修改原有的79個channel的跳頻方式，將channel的個數減少為40個，並保留了不少於3個的固定channel，用於廣播通訊。為僅僅在剩下的37個data channel上跳頻。

3）正因為這種改變，原有的搜尋/連線/配對等概念，在BLE上就不再存在了，取而代之的是Advertisor、Initiator等概念。但在之後的資料通訊的層次上，儘量保持了一致。

4）對於AMP來說，是基於BR/EDR的controller，在完成通常的點對點連線之後，兩個藍芽裝置商議，是否需要將後續的資料通訊，轉移至AMP controller上。這就是Bluetooth 3.0引入的AMP技術。

我們暫時在這篇文章中對藍芽技術做一個感性認識，在後續的文章中，會基於各個層次的協議，一步一步展開、推進，爭取能把藍芽技術分析透徹。