探尋藍牙的未來：從藍牙1.0到藍牙5.4，如何引領無線連接革命？

“藍牙”技術起源于1989年。愛立信移動公司Nils Rydbeck博士和Johan Ullman博士想開發無線耳機，取代有線耳機。Jaap Haartsen博士后續參與該項目，僅5年時間就取得突破并提出第一個協議。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。

3.藍牙技術定義

藍牙是一種無線數據和語音通信開放的全球規范，它是基于低成本的近距離無線連接，為固定和移動設備建立通信環境的一種特殊的近距離無線技術連接。

藍牙作為一種支持設備短距離通信的無線電技術，它能夠在設備間實現低成本、低功耗、方便快捷的數據通信和語音通信。藍牙技術在我們生活中已經無處不在。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，甚至是家居都已經標配了藍牙技術。藍牙技術正不斷顛覆我們與設備互動、設備與設備互動的方式。據市調機構ABI Research最新數據顯示，2018年，全球藍牙設備出貨量約37億臺左右，而到了2023年，這一數據將增長到54億臺。

在了解藍牙技術歷史前，需清楚藍牙技術聯盟(SIG)是干什么的，藍牙技術聯盟(Bluetooth Special Interest Group)是一家貿易協會，由電信、計算機、汽車制造、工業自動化和網絡行業的領先廠商組成。藍牙技術聯盟是一個以制定藍牙規范，以推動藍牙技術為宗旨的跨國組織。它擁有藍牙的商標，負責認證制造廠商，授權他們使用藍牙技術與藍牙標志，但是它本身不負責藍牙裝置的設計、生產及販售。

4.藍牙技術迭代歷史

從1994年至今的二十余年中，藍牙技術不僅幾經沉浮遭受到各種類型其它技術標準的沖擊，甚至一度銷聲匿跡，但在這二十余年中藍牙技術在不斷地進行自我升級，最終經歷了五代技術更新，多個技術版本后，依然在二十余年后的今天依然是無線通信技術領域中最為重要的技術標準之一。

圖 3 藍牙迭代路線

5.初代藍牙技術

1998年推出0.7規格，支持Baseband與LMP(Link Manager Protocol)通訊協定兩部分。

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

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起連接，藍牙設備在有效通訊范圍內，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起成立了藍牙技術推廣組織，從而在全球范圍內掀起了一股“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，廠商產品互不兼容。同時，在兩個設備連接的過程中，藍牙硬件的地址(BD_ADDR)會被發送出去，在協議的層面上不能做到匿名，造成泄漏數據的危險。因此，藍牙并未受到廣泛的應用，當時支持藍牙功能的電子設備種類少，價格也十分昂貴。

2001年：藍牙1.1正式列入IEEE 802.15.1標準，定義物理層(PHY)和媒體訪問控制(MAC)規范，用于設備間的無線連接，傳輸率為0.7 Mbps。因為是早期設計，容易受到同頻率產品干擾，影響通訊質量。

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)適應性跳頻技術減少藍牙產品與其它無線通訊裝置之間所產生的干擾問題；

2.eSCO(Extended Synchronous Connection-Oriented links)延伸同步連結導向信道技術用于提供QoS的音頻傳輸，進一步滿足高階語音與音頻產品的需求；

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)技術通過提高多任務處理和多種藍牙設備同時運行的能力，使得藍牙設備的傳輸率可達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。通過減少工作負載循環來降低功耗由于帶寬的增加，藍牙2.0增加了連接設備的數量，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據傳輸，擴大范圍就不行了；針對蘋果終端使用藍牙耳機需要MFI認證，方可使用藍牙傳輸數據，費用昂貴。

2007年：藍牙2.1新增了省電功能，將設備間相互確認的信號發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載大幅降低。新增SSP（安全簡易配對）功能，改善了藍牙設備的配對體驗，同時提升了使用和安全強度。支持NFC近場通信，只要將兩個內置有NFC芯片的藍牙設備相互靠近，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，可使藍牙調用802.11 WiFi用于實現高速數據傳輸，傳輸率高達24 Mbps，是藍牙2.0的8倍，輕松實現錄像機至高清電視、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，允許藍牙協議棧針對任一任務動態地選擇正確射頻。功耗方面藍牙3.0引入了EPC增強電源控制技術，再輔以802.11，實際空閑功耗明顯降低。此外，新的規范還加入UCD單向廣播無連接數據技術，提高了藍牙設備的響應能力。

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議規范，將三種規格集成在一起。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、傳統藍牙和高速藍牙三種模式：

1.高速藍牙主攻數據交換與傳輸；

2.傳統藍牙以信息溝通、設備連接為重點；

3.低功耗藍牙以不需占用太多帶寬的設備連接為主，功耗較老版本降低了90%。

BLE前身是NOKIA的Wibree技術，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技術最終成為物聯網發展的核心動力。當藍牙與LTE無線電信號同時傳輸數據時，自動協調傳輸信息，協同傳輸，降低干擾；允許自定義藍牙設備的重新連接間隔，更高的靈活性。支持云同步，藍牙4.1加入了專用的IPv6通道，只需要連接到聯網設備，通過IPv6與云端的數據進行同步；支持擴展設備與中心設備角色互換?？梢圆挥檬謾C、平板、PC等數據樞紐，實現自主收發數據，例如智能手表和計步器可以繞過智能手機，實現直接對話。

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標準下，設備之間的數據傳輸速度提升了約2.5倍，藍牙智能數據包可容納的數據量相當于此前的約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備，并且無法進行智能定位；

3.功能更強大，新標準還推動了IPv6協議引入藍牙標準的進程，藍牙4.2設備可以直接通過IPv6和6LoWPAN接入互聯網，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），數據包容量是藍牙4.2的八倍。支持室內定位導航功能，針對IoT物聯網進行底層優化以更低的功耗和更高的性能為智能家居服務。

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，從而進一步增強藍牙位置服務(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--到達角(AoA-Angle of Arrival)和發射角(AoD-Angle of Departure)，AoA技術中需要有2根以上的接收天線，AoD技術中需要有2根以上的發射天線。支持測向功能的設備發送/接收包含Constant Tone Extension(CTE)的數據包，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射/入射角度。

2019年12月：藍牙5.2發布了基于該版本的新一代藍牙音頻技術標準——低功耗音頻LE Audio。LE Audio除了提供更為高質量的音質效果，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、穩定性三個方面：解決5.2版本無法傳輸低速率數據，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備的無線共存性，藍牙設備角色命名變更，主設備(Master)變更為中心設備(Central)，從設備(Slave)變更為周邊設備(Peripheral)；支持包含廣播數據信息(ADI)的周期性廣播。對包含重復數據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。周邊設備可定期將每個頻道的可用情況報告給中心設備，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)配置從藍牙核心規范中刪除。

2023年1月，藍牙5.4正式公開發布，主要更新了廣播數據加密、廣播編碼選擇、帶響應的周期性廣播、以及LE GATT 安全級別特征。進一步增強了藍牙無線通信技術的安全性、有助于提升藍牙Mesh網絡及基于GATT的各類藍牙應用的用戶體驗、并將在新特性的基礎上開發全新藍牙應用規范。

6.下一版藍牙

正在開發中的新藍牙版本(版本號以藍牙技術聯盟未來公布為準)，引入低功耗藍牙(BLE)信道探測功能以提供精準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布，Bluetooth SIG已于2022年11月公開技術規范草案(Change Request r02)，公眾可從藍牙技術聯盟官網下載規范草案:

以下介紹基于Bluetooth SIG公開的技術規范草案Change Request r02版本，最終的技術規范可能與預先公示的草案不同。

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的藍牙距離和位置測量技術，即接收信號強度指標(RSSI)與信號到達角/離開角(AoA/AoD)技術。

與前幾代藍牙定位技術相比，基于藍牙的信道探測具有更高的安全性和準確性，再結合其低功耗配置，使其非常適合汽車數字鑰匙等應用，以及工業/倉庫/消費者資產跟蹤和實時運動/健身跟蹤等一般應用。

以上便是藍牙技術的誕生與發展歷程，從中可以發現藍牙對于未來物聯網的重要性，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網無線通信領域十來年，提供基于TI CC254x、CC264x、CC265x、CC2340、Silicon Labs EFR32BG22、EFR32xG24、Nordic nRF51、nRF52及國產芯片的藍牙無線模塊及整體解決方案。