探尋藍牙的未來：從藍牙1.0到藍牙5.4，如何引領(lǐng)無線連接革命？

???藍牙名字的來源

這要源于一個小故事，公元940-985年，哈洛德·布美塔特(Harald Blatand)，后人稱Harald Bluetooth，統(tǒng)一了整個丹麥。他的名字“Blatand”可能取自兩個古老的丹麥詞語?！癰la”意思是黑皮膚的，而“tan”是偉人的含義。和許多君王一樣 ，哈洛德四處擴張，為政治、經(jīng)濟和榮譽而征戰(zhàn)。公元960年哈洛德到達了他權(quán)力的最高點，征服了整個丹麥和挪威。而藍牙是這個丹麥國王Viking的“綽號”，因為他愛吃藍莓，牙齒被染藍，因此而得這一綽號“Bluetooth”。

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

圖2 藍牙logo

???藍牙技術(shù)的起源

“藍牙”技術(shù)起源于1989年。愛立信移動公司Nils Rydbeck博士和Johan Ullman博士想開發(fā)無線耳機，取代有線耳機。Jaap Haartsen博士后續(xù)參與該項目，僅5年時間就取得突破并提出第一個協(xié)議。1999年拉斯維加斯計算機博覽會上。他們向世界展示了第一款免提藍牙耳機，獲得了佳獎。

???藍牙技術(shù)定義

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

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

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

???藍牙技術(shù)迭代歷史

從1994年至今的二十余年中，藍牙技術(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牙技術(shù)在不斷地進行自我升級，最終經(jīng)歷了五代技術(shù)更新，多個技術(shù)版本后，依然在二十余年后的今天依然是無線通信技術(shù)領(lǐng)域中最為重要的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)之一。

圖 3 藍牙迭代路線

???初代藍牙技術(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，確定藍牙使用2.4 GHz 頻段。無需像紅外線一樣接口對接口發(fā)起連接，藍牙設(shè)備在有效通訊范圍內(nèi)，就可進行連接。

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

???第一代藍牙

1999年：藍牙1.0，早期的藍牙1.0 A 和1.0B 版存在多個問題，廠商產(chǎn)品互不兼容。同時，在兩個設(shè)備連接的過程中，藍牙硬件的地址(BD_ADDR)會被發(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。因此，藍牙并未受到廣泛的應(yīng)用，當(dāng)時支持藍牙功能的電子設(shè)備種類少，價格也十分昂貴。

2001年：藍牙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)備間的無線連接，傳輸率為0.7 Mbps。因為是早期設(shè)計，容易受到同頻率產(chǎn)品干擾，影響通訊質(zhì)量。

2003年：藍牙1.2針對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，保護用戶免受身份嗅探攻擊和跟蹤，同時向下兼容1.1版。此外還增加了四項新功能：

1.AFH(Adaptive Frequency Hopping)適應(yīng)性跳頻技術(shù)減少藍牙產(chǎn)品與其它無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，進一步滿足高階語音與音頻產(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)置藍牙手機愛立信T39mc

???第二代藍牙

2004年：藍牙2.0新增的EDR(Enhanced Data Rate)技術(shù)通過提高多任務(wù)處理和多種藍牙設(shè)備同時運行的能力，使得藍牙設(shè)備的傳輸率可達3 Mbps。藍牙2.0支持雙工模式：可以一邊進行語音通訊，一邊傳輸文檔/圖片。通過減少工作負(fù)載循環(huán)來降低功耗由于帶寬的增加，藍牙2.0增加了連接設(shè)備的數(shù)量，傳輸速度達到以前的三倍以上。方便傳輸更大的文件，無疑更適合被運用到耳機當(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耳機的續(xù)航和待機時間。但藍牙2.0也存在限制，藍牙2.0只能進行短距離的數(shù)據(jù)傳輸，擴大范圍就不行了；針對蘋果終端使用藍牙耳機需要MFI認(rèn)證，方可使用藍牙傳輸數(shù)據(jù)，費用昂貴。

2007年：藍牙2.1新增了省電功能，將設(shè)備間相互確認(rèn)的信號發(fā)送時間間隔從舊版的0.1秒延長到0.5秒左右，從而讓藍牙芯片的工作負(fù)載大幅降低。新增SSP（安全簡易配對）功能，改善了藍牙設(shè)備的配對體驗，同時提升了使用和安全強度。支持NFC近場通信，只要將兩個內(nèi)置有NFC芯片的藍牙設(shè)備相互靠近，配對密碼將通過NFC進行傳輸，無需手動輸入。

圖 5 正與無線耳機藍牙通信的Sony Ericsson P910i PDA手機

???第三代藍牙

2009年：藍牙3.0新增High Speed，可使藍牙調(diào)用802.11 WiFi用于實現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸，傳輸率高達24 Mbps，是藍牙2.0的8倍，輕松實現(xiàn)錄像機至高清電視、PC至打印機之間的傳輸。藍牙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)，允許藍牙協(xié)議棧針對任一任務(wù)動態(tài)地選擇正確射頻。功耗方面藍牙3.0引入了EPC增強電源控制技術(shù)，再輔以802.11，實際空閑功耗明顯降低。此外，新的規(guī)范還加入UCD單向廣播無連接數(shù)據(jù)技術(shù)，提高了藍牙設(shè)備的響應(yīng)能力。

圖6 藍牙適配器

???第四代藍牙

2010年：藍牙4.0是第一個藍牙綜合協(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牙、傳統(tǒng)藍牙和高速藍牙三種模式：

1.高速藍牙主攻數(shù)據(jù)交換與傳輸；

2.傳統(tǒng)藍牙以信息溝通、設(shè)備連接為重點；

3.低功耗藍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（低功耗藍牙）。藍牙4.0的芯片模式分為Single mode與Dual mode，Single mode只能與藍牙4.0互相傳輸無法向下與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：藍牙4.1在軟件方面有著明顯的改進，此次更新讓Bluetooth Smart技術(shù)最終成為物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的核心動力。當(dāng)藍牙與LTE無線電信號同時傳輸數(shù)據(jù)時，自動協(xié)調(diào)傳輸信息，協(xié)同傳輸，降低干擾；允許自定義藍牙設(shè)備的重新連接間隔，更高的靈活性。支持云同步，藍牙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、平板、PC等數(shù)據(jù)樞紐，實現(xiàn)自主收發(fā)數(shù)據(jù)，例如智能手表和計步器可以繞過智能手機，實現(xiàn)直接對話。

2014年：藍牙4.2推出，對比藍牙4.0，進行了如下幾個方面的提升：

1.速度傳輸更快，與4.1相比，藍牙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，藍牙4.2的安全性也有所提升，如果沒有得到用戶許可，藍牙信號將無法嘗試連接和追蹤用戶設(shè)備，并且無法進行智能定位；

3.功能更強大，新標(biāo)準(zhǔn)還推動了IPv6協(xié)議引入藍牙標(biāo)準(zhǔn)的進程，藍牙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首款支持藍牙4.0智能手機

???第五代藍牙

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

圖 8 藍牙5.0特點

2019年1月：藍牙5.1版本引入無線電測向(Direction Finding)技術(shù)，從而進一步增強藍牙位置服務(wù)(Location Services)。定位精度為分米級。藍牙5.1使用兩種是基于天線陳列(Antenna Array)的測向技術(shù)--到達角(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，接收機通過IQ采樣計算無線電波的相位差，再基于相位差、波長及天線間距計算發(fā)射/入射角度。

2019年12月：藍牙5.2發(fā)布了基于該版本的新一代藍牙音頻技術(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制，創(chuàng)造了更可觀的場景。V5.2版本給低功耗藍牙(Bluetooth Low Energy)增加了三個新功能。LE同步信道（LE Isochronous Channels）、增強版ATT（Enhanced ATT）、LE功率控制(LE Power Control)。

2021年：藍牙5.3主要提升在傳輸效率、安全性、穩(wěn)定性三個方面：解決5.2版本無法傳輸?shù)退俾蕯?shù)據(jù)，加密控制增強，周期性廣播增強。對低功耗藍牙的周期性廣播、連接更新、頻道分級進行了完善，進一步提高了通訊效率、降低了功耗并提高了藍牙設(shè)備的無線共存性，藍牙設(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。對包含重復(fù)數(shù)據(jù)的周期性廣播進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增強版連接更新功能。通過引入亞速率連接模式極大地改進了在已經(jīng)建立連接的情況下更新有效連接間隔所需時間；新增LE頻道分級功能。周邊設(shè)備可定期將每個頻道的可用情況報告給中心設(shè)備，以在未來跳頻地圖更新時使用，減小相互干擾,提高 無線通信的共存性；高速(HS)配置從藍牙核心規(guī)范中刪除。

2023年1月，藍牙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 安全級別特征。進一步增強了藍牙無線通信技術(shù)的安全性、有助于提升藍牙Mesh網(wǎng)絡(luò)及基于GATT的各類藍牙應(yīng)用的用戶體驗、并將在新特性的基礎(chǔ)上開發(fā)全新藍牙應(yīng)用規(guī)范。

???下一版藍牙

正在開發(fā)中的新藍牙版本(版本號以藍牙技術(shù)聯(lián)盟未來公布為準(zhǔn))，引入低功耗藍牙(BLE)信道探測功能以提供精準(zhǔn)測距與定位解決方案，信道探測同時通過相位測量及RTT(往返時間)測量來進行距離估算并相互修正，精度更高且具備安全防護機制。

盡管包含信道探測(Channel Sounding, 簡稱為CS)功能的新藍牙版本還未發(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，此前稱為高精度距離測量(High Accuracy Distance，HADM)，從根本上改進了傳統(tǒng)的藍牙距離和位置測量技術(shù)，即接收信號強度指標(biāo)(RSSI)與信號到達角/離開角(AoA/AoD)技術(shù)。

與前幾代藍牙定位技術(shù)相比，基于藍牙的信道探測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)/倉庫/消費者資產(chǎn)跟蹤和實時運動/健身跟蹤等一般應(yīng)用。

以上便是藍牙技術(shù)的誕生與發(fā)展歷程，從中可以發(fā)現(xiàn)藍牙對于未來物聯(lián)網(wǎng)的重要性，它也將憑借著自身低功耗、高速傳輸、安全性高等特點進一步延伸到各個領(lǐng)域，讓智能生活更加便捷高效。深圳市信馳達科技有限公司深耕物聯(lián)網(wǎng)無線通信領(lǐng)域十來年，提供基于TI CC254x、CC264x、CC265x、CC2340、Silicon Labs EFR32BG22、EFR32xG24、Nordic nRF51、nRF52及***的藍牙無線模塊及整體解決方案。

關(guān)于信馳達

深圳市信馳達科技有限公司（RF-star）是一家專注于物聯(lián)網(wǎng)射頻通信方案的高新技術(shù)企業(yè)，車聯(lián)網(wǎng)聯(lián)盟（CCC）和智慧車聯(lián)產(chǎn)業(yè)生態(tài)聯(lián)盟（ICCE）會員，通過ISO9001和IATF16949質(zhì)量體系認(rèn)證。2010年成立之初即成為美國TI公司官方授權(quán)方案商，之后陸續(xù)得到Silicon Labs、Nordic、Realtek、Espressif、ASR、卓勝微等海內(nèi)外知名芯片企業(yè)的認(rèn)可和支持。公司提供物聯(lián)網(wǎng)無線模塊和應(yīng)用方案，包括BLE、Wi-Fi、UWB、Zigbee、Thread、Matter、Sub-1G、Wi-SUN、LoRa等。

審核編輯 黃宇