藍芽協議分析（1）基本概念

 藍芽4.1，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。

1.藍芽技術的概述

1.1 兩種藍芽技術：經典藍芽（檢稱 BT）和低功耗藍芽（簡稱BLE）

 藍芽協議包括兩種技術：經典藍芽（簡稱BT）和低功耗藍芽（簡稱BLE）。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！因此在硬體模組上又有單模藍芽和雙模藍芽的區別。在智慧手機中的藍芽就是雙模藍芽，它可以支援經典藍芽和低功耗藍芽。

• 雙模藍芽：支援低功耗藍芽和經典藍芽的所有功能
• 低功耗藍芽：僅支援低功耗藍芽不支援經典藍芽
• 經典藍芽： 僅支援經典藍芽不支援低功耗藍芽

1.1.1 經典藍芽（BT）: BR技術 、EDR技術 、AMP技術

 經典藍芽是正宗的藍芽技術。
 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）。

1.1.2 低功耗藍芽（BLE）：LE技術

 上面所講的是經典藍芽的技術進化路線，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。這就是低功耗藍芽（簡稱 BLE）產生的背景。

 BLE技術相比經典藍芽技術，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。

1.2 藍芽技術系統的組成

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。

2. BR/EDR vs LE vs AMP

 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。