探尋藍(lán)牙的未來(lái)：從藍(lán)牙1.0到藍(lán)牙5.4，如何引領(lǐng)無(wú)線連接革命？

???藍(lán)牙名字的來(lái)源

這要源于一個(gè)小故事，公元940-985年，哈洛德·布美塔特(Harald Blatand)，后人稱Harald Bluetooth，統(tǒng)一了整個(gè)丹麥。他的名字“Blatand”可能取自兩個(gè)古老的丹麥詞語(yǔ)?！癰la”意思是黑皮膚的，而“tan”是偉人的含義。和許多君王一樣 ，哈洛德四處擴(kuò)張，為政治、經(jīng)濟(jì)和榮譽(yù)而征戰(zhàn)。公元960年哈洛德到達(dá)了他權(quán)力的最高點(diǎn)，征服了整個(gè)丹麥和挪威。而藍(lán)牙是這個(gè)丹麥國(guó)王Viking的“綽號(hào)”，因?yàn)樗麗鄢运{(lán)莓，牙齒被染藍(lán)，因此而得這一綽號(hào)“Bluetooth”。

目前使用的藍(lán)牙Logo來(lái)自后弗薩克文的符文組合，將哈拉爾國(guó)王名字的首字母“H”和“B”結(jié)合在一起，形成了現(xiàn)在人們所熟知的藍(lán)色標(biāo)識(shí)。

圖2 藍(lán)牙logo

???藍(lán)牙技術(shù)的起源

“藍(lán)牙”技術(shù)起源于1989年。愛立信移動(dòng)公司Nils Rydbeck博士和Johan Ullman博士想開發(fā)無(wú)線耳機(jī)，取代有線耳機(jī)。Jaap Haartsen博士后續(xù)參與該項(xiàng)目，僅5年時(shí)間就取得突破并提出第一個(gè)協(xié)議。1999年拉斯維加斯計(jì)算機(jī)博覽會(huì)上。他們向世界展示了第一款免提藍(lán)牙耳機(jī)，獲得了佳獎(jiǎng)。

???藍(lán)牙技術(shù)定義

藍(lán)牙是一種無(wú)線數(shù)據(jù)和語(yǔ)音通信開放的全球規(guī)范，它是基于低成本的近距離無(wú)線連接，為固定和移動(dòng)設(shè)備建立通信環(huán)境的一種特殊的近距離無(wú)線技術(shù)連接。

藍(lán)牙作為一種支持設(shè)備短距離通信的無(wú)線電技術(shù)，它能夠在設(shè)備間實(shí)現(xiàn)低成本、低功耗、方便快捷的數(shù)據(jù)通信和語(yǔ)音通信。藍(lán)牙技術(shù)在我們生活中已經(jīng)無(wú)處不在。我們可以看到，在我們的生活中，我們使用真無(wú)線耳機(jī)打電話、使用藍(lán)牙音響播放音樂、通過車載藍(lán)牙與汽車互動(dòng)，幾乎所有的智能手機(jī)、平板電腦、筆記本電腦、汽車，甚至是家居都已經(jīng)標(biāo)配了藍(lán)牙技術(shù)。藍(lán)牙技術(shù)正不斷顛覆我們與設(shè)備互動(dòng)、設(shè)備與設(shè)備互動(dòng)的方式。據(jù)市調(diào)機(jī)構(gòu)ABI Research最新數(shù)據(jù)顯示，2018年，全球藍(lán)牙設(shè)備出貨量約37億臺(tái)左右，而到了2023年，這一數(shù)據(jù)將增長(zhǎng)到54億臺(tái)。

在了解藍(lán)牙技術(shù)歷史前，需清楚藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟(SIG)是干什么的，藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟(Bluetooth Special Interest Group)是一家貿(mào)易協(xié)會(huì)，由電信、計(jì)算機(jī)、汽車制造、工業(yè)自動(dòng)化和網(wǎng)絡(luò)行業(yè)的領(lǐng)先廠商組成。藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟是一個(gè)以制定藍(lán)牙規(guī)范，以推動(dòng)藍(lán)牙技術(shù)為宗旨的跨國(guó)組織。它擁有藍(lán)牙的商標(biāo)，負(fù)責(zé)認(rèn)證制造廠商，授權(quán)他們使用藍(lán)牙技術(shù)與藍(lán)牙標(biāo)志，但是它本身不負(fù)責(zé)藍(lán)牙裝置的設(shè)計(jì)、生產(chǎn)及販?zhǔn)邸?/p>

???藍(lán)牙技術(shù)迭代歷史

從1994年至今的二十余年中，藍(lán)牙技術(shù)不僅幾經(jīng)沉浮遭受到各種類型其它技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的沖擊，甚至一度銷聲匿跡，但在這二十余年中藍(lán)牙技術(shù)在不斷地進(jìn)行自我升級(jí)，最終經(jīng)歷了五代技術(shù)更新，多個(gè)技術(shù)版本后，依然在二十余年后的今天依然是無(wú)線通信技術(shù)領(lǐng)域中最為重要的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)之一。

圖 3 藍(lán)牙迭代路線

???初代藍(lán)牙技術(shù)

1998年推出0.7規(guī)格，支持Baseband與LMP(Link Manager Protocol)通訊協(xié)定兩部分。

1999年先后推出0.8版、0.9版、1.0 Draft版。完成了SDP (Service Discovery Protocol)協(xié)定和TCS(Telephony Control Specification)協(xié)定。

1999年7月26日正式公布1.0A版，確定藍(lán)牙使用2.4 GHz 頻段。無(wú)需像紅外線一樣接口對(duì)接口發(fā)起連接，藍(lán)牙設(shè)備在有效通訊范圍內(nèi)，就可進(jìn)行連接。

1999年下半年，微軟、摩托羅拉、三星、朗訊與藍(lán)牙特別小組的五家公司共同發(fā)起成立了藍(lán)牙技術(shù)推廣組織，從而在全球范圍內(nèi)掀起了一股“藍(lán)牙”熱潮。

???第一代藍(lán)牙

1999年：藍(lán)牙1.0，早期的藍(lán)牙1.0 A 和1.0B 版存在多個(gè)問題，廠商產(chǎn)品互不兼容。同時(shí)，在兩個(gè)設(shè)備連接的過程中，藍(lán)牙硬件的地址(BD_ADDR)會(huì)被發(fā)送出去，在協(xié)議的層面上不能做到匿名，造成泄漏數(shù)據(jù)的危險(xiǎn)。因此，藍(lán)牙并未受到廣泛的應(yīng)用，當(dāng)時(shí)支持藍(lán)牙功能的電子設(shè)備種類少，價(jià)格也十分昂貴。

2001年：藍(lán)牙1.1正式列入IEEE 802.15.1標(biāo)準(zhǔn)，定義物理層(PHY)和媒體訪問控制(MAC)規(guī)范，用于設(shè)備間的無(wú)線連接，傳輸率為0.7 Mbps。因?yàn)槭窃缙谠O(shè)計(jì)，容易受到同頻率產(chǎn)品干擾，影響通訊質(zhì)量。

2003年：藍(lán)牙1.2針對(duì)1.0版本的安全性問題，完善了匿名方式，新增屏蔽設(shè)備的硬件地址功能，保護(hù)用戶免受身份嗅探攻擊和跟蹤，同時(shí)向下兼容1.1版。此外還增加了四項(xiàng)新功能：

1.AFH(Adaptive Frequency Hopping)適應(yīng)性跳頻技術(shù)減少藍(lán)牙產(chǎn)品與其它無(wú)線通訊裝置之間所產(chǎn)生的干擾問題；

2.eSCO(Extended Synchronous Connection-Oriented links)延伸同步連結(jié)導(dǎo)向信道技術(shù)用于提供QoS的音頻傳輸，進(jìn)一步滿足高階語(yǔ)音與音頻產(chǎn)品的需求；

3.Faster Connection 快速連接功能可縮短重新搜索與再連接的時(shí)間，使連接過程更為穩(wěn)定快速；

4.支持Stereo音效的傳輸要求，但只能以單工方式工作。

圖 4 全世界第一款內(nèi)置藍(lán)牙手機(jī)愛立信T39mc

???第二代藍(lán)牙

2004年：藍(lán)牙2.0新增的EDR(Enhanced Data Rate)技術(shù)通過提高多任務(wù)處理和多種藍(lán)牙設(shè)備同時(shí)運(yùn)行的能力，使得藍(lán)牙設(shè)備的傳輸率可達(dá)3 Mbps。藍(lán)牙2.0支持雙工模式：可以一邊進(jìn)行語(yǔ)音通訊，一邊傳輸文檔/圖片。通過減少工作負(fù)載循環(huán)來(lái)降低功耗由于帶寬的增加，藍(lán)牙2.0增加了連接設(shè)備的數(shù)量，傳輸速度達(dá)到以前的三倍以上。方便傳輸更大的文件，無(wú)疑更適合被運(yùn)用到耳機(jī)當(dāng)中，高傳輸速滿足傳輸CD般的大容量音頻文件；更低的電流消耗則可以明顯延長(zhǎng)耳機(jī)的續(xù)航和待機(jī)時(shí)間。但藍(lán)牙2.0也存在限制，藍(lán)牙2.0只能進(jìn)行短距離的數(shù)據(jù)傳輸，擴(kuò)大范圍就不行了；針對(duì)蘋果終端使用藍(lán)牙耳機(jī)需要MFI認(rèn)證，方可使用藍(lán)牙傳輸數(shù)據(jù)，費(fèi)用昂貴。

2007年：藍(lán)牙2.1新增了省電功能，將設(shè)備間相互確認(rèn)的信號(hào)發(fā)送時(shí)間間隔從舊版的0.1秒延長(zhǎng)到0.5秒左右，從而讓藍(lán)牙芯片的工作負(fù)載大幅降低。新增SSP（安全簡(jiǎn)易配對(duì)）功能，改善了藍(lán)牙設(shè)備的配對(duì)體驗(yàn)，同時(shí)提升了使用和安全強(qiáng)度。支持NFC近場(chǎng)通信，只要將兩個(gè)內(nèi)置有NFC芯片的藍(lán)牙設(shè)備相互靠近，配對(duì)密碼將通過NFC進(jìn)行傳輸，無(wú)需手動(dòng)輸入。

圖 5 正與無(wú)線耳機(jī)藍(lán)牙通信的Sony Ericsson P910i PDA手機(jī)

???第三代藍(lán)牙

2009年：藍(lán)牙3.0新增High Speed，可使藍(lán)牙調(diào)用802.11 WiFi用于實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸，傳輸率高達(dá)24 Mbps，是藍(lán)牙2.0的8倍，輕松實(shí)現(xiàn)錄像機(jī)至高清電視、PC至打印機(jī)之間的傳輸。藍(lán)牙3.0的核心是AMP(Generic Alternate MAC/PHY)，這是一種全新的交替射頻技術(shù)，允許藍(lán)牙協(xié)議棧針對(duì)任一任務(wù)動(dòng)態(tài)地選擇正確射頻。功耗方面藍(lán)牙3.0引入了EPC增強(qiáng)電源控制技術(shù)，再輔以802.11，實(shí)際空閑功耗明顯降低。此外，新的規(guī)范還加入U(xiǎn)CD單向廣播無(wú)連接數(shù)據(jù)技術(shù)，提高了藍(lán)牙設(shè)備的響應(yīng)能力。

圖6 藍(lán)牙適配器

???第四代藍(lán)牙

2010年：藍(lán)牙4.0是第一個(gè)藍(lán)牙綜合協(xié)議規(guī)范，將三種規(guī)格集成在一起。其中最重要的變化就是BLE(Bluetooth Low Energy)低功耗功能提出了低功耗藍(lán)牙、傳統(tǒng)藍(lán)牙和高速藍(lán)牙三種模式：

1.高速藍(lán)牙主攻數(shù)據(jù)交換與傳輸；

2.傳統(tǒng)藍(lán)牙以信息溝通、設(shè)備連接為重點(diǎn)；

3.低功耗藍(lán)牙以不需占用太多帶寬的設(shè)備連接為主，功耗較老版本降低了90%。

BLE前身是NOKIA的Wibree技術(shù)，被SIG接納重命名為Bluetooth Low Energy（低功耗藍(lán)牙）。藍(lán)牙4.0的芯片模式分為Single mode與Dual mode，Single mode只能與藍(lán)牙4.0互相傳輸無(wú)法向下與3.0/2.1/2.0版本兼容，Dual mode可以向下兼容3.0/2.1/2.0版本。

2013年：藍(lán)牙4.1在軟件方面有著明顯的改進(jìn)，此次更新讓Bluetooth Smart技術(shù)最終成為物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的核心動(dòng)力。當(dāng)藍(lán)牙與LTE無(wú)線電信號(hào)同時(shí)傳輸數(shù)據(jù)時(shí)，自動(dòng)協(xié)調(diào)傳輸信息，協(xié)同傳輸，降低干擾；允許自定義藍(lán)牙設(shè)備的重新連接間隔，更高的靈活性。支持云同步，藍(lán)牙4.1加入了專用的IPv6通道，只需要連接到聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，通過IPv6與云端的數(shù)據(jù)進(jìn)行同步；支持?jǐn)U展設(shè)備與中心設(shè)備角色互換?？梢圆挥檬謾C(jī)、平板、PC等數(shù)據(jù)樞紐，實(shí)現(xiàn)自主收發(fā)數(shù)據(jù)，例如智能手表和計(jì)步器可以繞過智能手機(jī)，實(shí)現(xiàn)直接對(duì)話。

2014年：藍(lán)牙4.2推出，對(duì)比藍(lán)牙4.0，進(jìn)行了如下幾個(gè)方面的提升：

1.速度傳輸更快，與4.1相比，藍(lán)牙4.2標(biāo)準(zhǔn)下，設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸速度提升了約2.5倍，藍(lán)牙智能數(shù)據(jù)包可容納的數(shù)據(jù)量相當(dāng)于此前的約10倍；

2.安全性更高，藍(lán)牙4.2的安全性也有所提升，如果沒有得到用戶許可，藍(lán)牙信號(hào)將無(wú)法嘗試連接和追蹤用戶設(shè)備，并且無(wú)法進(jìn)行智能定位；

3.功能更強(qiáng)大，新標(biāo)準(zhǔn)還推動(dòng)了IPv6協(xié)議引入藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)的進(jìn)程，藍(lán)牙4.2設(shè)備可以直接通過IPv6和6LoWPAN接入互聯(lián)網(wǎng)，且支持低功耗IP連接。

圖 7 蘋果 iPhone 4S首款支持藍(lán)牙4.0智能手機(jī)

???第五代藍(lán)牙

2016年：藍(lán)牙5.0在低功耗模式下具備更快更遠(yuǎn)的傳輸能力，傳輸速率是藍(lán)牙4.2的兩倍（速度上限為2 Mbps），有效傳輸距離是藍(lán)牙4.2的四倍（理論上可達(dá)300 米），數(shù)據(jù)包容量是藍(lán)牙4.2的八倍。支持室內(nèi)定位導(dǎo)航功能，針對(duì)IoT物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行底層優(yōu)化以更低的功耗和更高的性能為智能家居服務(wù)。

圖 8 藍(lán)牙5.0特點(diǎn)

2019年1月：藍(lán)牙5.1版本引入無(wú)線電測(cè)向(Direction Finding)技術(shù)，從而進(jìn)一步增強(qiáng)藍(lán)牙位置服務(wù)(Location Services)。定位精度為分米級(jí)。藍(lán)牙5.1使用兩種是基于天線陳列(Antenna Array)的測(cè)向技術(shù)--到達(dá)角(AoA-Angle of Arrival)和發(fā)射角(AoD-Angle of Departure)，AoA技術(shù)中需要有2根以上的接收天線，AoD技術(shù)中需要有2根以上的發(fā)射天線。支持測(cè)向功能的設(shè)備發(fā)送/接收包含Constant Tone Extension(CTE)的數(shù)據(jù)包，接收機(jī)通過IQ采樣計(jì)算無(wú)線電波的相位差，再基于相位差、波長(zhǎng)及天線間距計(jì)算發(fā)射/入射角度。

2019年12月：藍(lán)牙5.2發(fā)布了基于該版本的新一代藍(lán)牙音頻技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)——低功耗音頻LE Audio。LE Audio除了提供更為高質(zhì)量的音質(zhì)效果，還通過重新定義的ISO通道提供了連接和廣播等不同方式的音頻傳輸機(jī)制，創(chuàng)造了更可觀的場(chǎng)景。V5.2版本給低功耗藍(lán)牙(Bluetooth Low Energy)增加了三個(gè)新功能。LE同步信道（LE Isochronous Channels）、增強(qiáng)版ATT（Enhanced ATT）、LE功率控制(LE Power Control)。

2021年：藍(lán)牙5.3主要提升在傳輸效率、安全性、穩(wěn)定性三個(gè)方面：解決5.2版本無(wú)法傳輸?shù)退俾蕯?shù)據(jù)，加密控制增強(qiáng)，周期性廣播增強(qiáng)。對(duì)低功耗藍(lán)牙的周期性廣播、連接更新、頻道分級(jí)進(jìn)行了完善，進(jìn)一步提高了通訊效率、降低了功耗并提高了藍(lán)牙設(shè)備的無(wú)線共存性，藍(lán)牙設(shè)備角色命名變更，主設(shè)備(Master)變更為中心設(shè)備(Central)，從設(shè)備(Slave)變更為周邊設(shè)備(Peripheral)；支持包含廣播數(shù)據(jù)信息(ADI)的周期性廣播。對(duì)包含重復(fù)數(shù)據(jù)的周期性廣播進(jìn)行過濾將減少不必要的信息交互，有助于提高通訊效率；新增LE增強(qiáng)版連接更新功能。通過引入亞速率連接模式極大地改進(jìn)了在已經(jīng)建立連接的情況下更新有效連接間隔所需時(shí)間；新增LE頻道分級(jí)功能。周邊設(shè)備可定期將每個(gè)頻道的可用情況報(bào)告給中心設(shè)備，以在未來(lái)跳頻地圖更新時(shí)使用，減小相互干擾,提高 無(wú)線通信的共存性；高速(HS)配置從藍(lán)牙核心規(guī)范中刪除。

2023年1月，藍(lán)牙5.4正式公開發(fā)布，主要更新了廣播數(shù)據(jù)加密、廣播編碼選擇、帶響應(yīng)的周期性廣播、以及LE GATT 安全級(jí)別特征。進(jìn)一步增強(qiáng)了藍(lán)牙無(wú)線通信技術(shù)的安全性、有助于提升藍(lán)牙Mesh網(wǎng)絡(luò)及基于GATT的各類藍(lán)牙應(yīng)用的用戶體驗(yàn)、并將在新特性的基礎(chǔ)上開發(fā)全新藍(lán)牙應(yīng)用規(guī)范。

???下一版藍(lán)牙

正在開發(fā)中的新藍(lán)牙版本(版本號(hào)以藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟未來(lái)公布為準(zhǔn))，引入低功耗藍(lán)牙(BLE)信道探測(cè)功能以提供精準(zhǔn)測(cè)距與定位解決方案，信道探測(cè)同時(shí)通過相位測(cè)量及RTT(往返時(shí)間)測(cè)量來(lái)進(jìn)行距離估算并相互修正，精度更高且具備安全防護(hù)機(jī)制。

盡管包含信道探測(cè)(Channel Sounding, 簡(jiǎn)稱為CS)功能的新藍(lán)牙版本還未發(fā)布，Bluetooth SIG已于2022年11月公開技術(shù)規(guī)范草案(Change Request r02)，公眾可從藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟官網(wǎng)下載規(guī)范草案:

以下介紹基于Bluetooth SIG公開的技術(shù)規(guī)范草案Change Request r02版本，最終的技術(shù)規(guī)范可能與預(yù)先公示的草案不同。

信道探測(cè)，此前稱為高精度距離測(cè)量(High Accuracy Distance，HADM)，從根本上改進(jìn)了傳統(tǒng)的藍(lán)牙距離和位置測(cè)量技術(shù)，即接收信號(hào)強(qiáng)度指標(biāo)(RSSI)與信號(hào)到達(dá)角/離開角(AoA/AoD)技術(shù)。

與前幾代藍(lán)牙定位技術(shù)相比，基于藍(lán)牙的信道探測(cè)具有更高的安全性和準(zhǔn)確性，再結(jié)合其低功耗配置，使其非常適合汽車數(shù)字鑰匙等應(yīng)用，以及工業(yè)/倉(cāng)庫(kù)/消費(fèi)者資產(chǎn)跟蹤和實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)/健身跟蹤等一般應(yīng)用。

以上便是藍(lán)牙技術(shù)的誕生與發(fā)展歷程，從中可以發(fā)現(xiàn)藍(lán)牙對(duì)于未來(lái)物聯(lián)網(wǎng)的重要性，它也將憑借著自身低功耗、高速傳輸、安全性高等特點(diǎn)進(jìn)一步延伸到各個(gè)領(lǐng)域，讓智能生活更加便捷高效。深圳市信馳達(dá)科技有限公司深耕物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線通信領(lǐng)域十來(lái)年，提供基于TI CC254x、CC264x、CC265x、CC2340、Silicon Labs EFR32BG22、EFR32xG24、Nordic nRF51、nRF52及***的藍(lán)牙無(wú)線模塊及整體解決方案。

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審核編輯 黃宇