浅谈蓝牙技术

蓝牙技术

蓝牙技术是一种无线数据和语音通信开放的全球规范，它是基于低成本的近距离无线连接，为固定和移动设备建立通信环境的一种特殊的近距离无线技术连接。

蓝牙使当前的一些便携移动设备和计算机设备能够不需要电缆就能连接到互联网，并且可以无线接入互联网。

名称由来

蓝牙（Bluetooth）一词取自于十世纪丹麦国王哈拉尔的名字 Harald Bluetooth。

而将「蓝牙」与后来的无线通讯技术标准关联在一起的，是一位来自英特尔的工程师 Jim Kardach。他在一次无线通讯行业会议上，提议将「Bluetooth」作为无线通讯技术标准的名称。

由于哈拉尔国王以统一了因宗教战争和领土争议而分裂的挪威与丹麦而闻名于世，国王的成就与 Jim Kardach 的理念不谋而合，他希望蓝牙也可以成为统一的通用传输标准——将所有分散的设备与内容互联互通。蓝牙的 LOGO 来自后弗萨克文的符文组合，将哈拉尔国王名字的首字母 H 和 B 拼在一起，成为了今天大家熟知的蓝色徽标。

图源：Fabrikbrands

演变

起源

蓝牙的历史实际上要追溯到第二次世界大战。蓝牙的核心是短距离无线电通讯，它的基础来自于跳频扩频（FHSS）技术，由好莱坞女演员 Hedy Lamarr 和钢琴家 George Antheil 在 1942 年 8 月申请的专利上提出。他们从钢琴的按键数量上得到启发，通过使用 88 种不同载波频率的无线电控制鱼雷，由于传输频率是不断跳变的，因此具有一定的保密能力和抗干扰能力。

起初该项技术并没有引起美国军方的重视，直到 20 世纪 80 年代才被军方用于战场上的无线通讯系统，跳频扩频（FHSS）技术后来在解决包括蓝牙、WiFi、3G 移动通讯系统在无线数据收发问题上发挥着关键作用。

蓝牙技术开始于爱立信在 1994 年创制的方案，该方案旨在研究移动电话和其他配件间进行低功耗、低成本无线通信连接的方法。发明者希望为设备间的无线通讯创造一组统一规则（标准化协议），以解决用户间互不兼容的移动电子设备的通信问题，用于替代 RS-232 串口通讯标准。

爱立信发现，解决兼容问题的方法是将各种不同的通信设备通过移动电话接入到蜂窝网上，而这种连接的最后一段就是短距离的无线连接。随着项目的进展，爱立信把大量资源投入到短距离无线通讯技术的研发上。

1998 年 5 月 20 日，爱立信联合 IBM、英特尔、诺基亚及东芝公司等 5 家著名厂商成立「特别兴趣小组」（Special Interest Group，SIG），即蓝牙技术联盟的前身，目标是开发一个成本低、效益高、可以在短距离范围内随意无线连接的蓝牙技术标准。当年蓝牙推出 0.7 规格，支持 Baseband 与 LMP（Link Manager Protocol）通讯协定两部分。

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

1999 年 7 月 26 日正式公布 1.0A 版，确定使用 2.4GHz 频段。和当时流行的红外线技术相比，蓝牙有着更高的传输速度，而且不需要像红外线那样进行接口对接口的连接，所有蓝牙设备基本上只要在有效通讯范围内使用，就可以进行随时连接。

1999 年下半年，微软、摩托罗拉、三星、朗讯与蓝牙特别小组的五家公司共同发起成立了蓝牙技术推广组织，从而在全球范围内掀起了一股「蓝牙」热潮。

到 2000 年 4 月，SIG 的成员数已超过 1500，其成长速度超过任何其他的无线联盟。

发展历史

图源：BlueAPP

历代版本的规格

历代蓝牙的规格

第一代蓝牙：关于短距离通讯早期的探索

1999 年：蓝牙 1.0

早期的蓝牙 1.0 A 和 1.0B 版存在多个问题，有多家厂商指出他们的产品互不兼容。同时，在两个设备「链接」（Handshaking）的过程中，蓝牙硬件的地址（BD_ADDR）会被发送出去，在协议的层面上不能做到匿名，造成泄漏数据的危险。令一些用户却步。

2001 年：蓝牙 1.1

蓝牙 1.1 版正式列入 IEEE 802.15.1 标准，该标准定义了物理层（PHY）和媒体访问控制（MAC）规范，用于设备间的无线连接，传输率为 0.7Mbps。但因为是早期设计，容易受到同频率之间产品干扰，影响通讯质量。

2003 年：蓝牙 1.2

蓝牙 1.2 版可以向下兼容1.1版,针对 1.0 版本暴露出的安全性问题，完善了匿名方式，新增屏蔽设备的硬件地址（BD_ADDR）功能，保护用户免受身份嗅探攻击和跟踪。此外，还增加了四项新功能：

· AFH（Adaptive Frequency Hopping）适应性跳频技术，减少了蓝牙产品与其它无线通讯装置之间所产生的干扰问题；

· eSCO（Extended Synchronous Connection-Oriented links）延伸同步连结导向信道技术，用于提供 QoS 的音频传输，进一步满足高阶语音与音频产品的需求；

· Faster Connection 快速连接功能，可以缩短重新搜索与再连接的时间，使连接过程更为稳定快速；

· 支持 Stereo 音效的传输要求，但只能以单工方式工作。

第二代蓝牙：发力传输速率的 EDR 时代

2004 年：蓝牙 2.0

蓝牙 2.0 是 1.2 版本的改良版，新增的 EDR（Enhanced Data Rate）技术通过提高多任务处理和多种蓝牙设备同时运行的能力，使得蓝牙设备的传输率可达 3Mbps。

蓝牙 2.0 支持双工模式：可以一边进行语音通讯，一边传输文档/高质素图片。

同时， EDR 技术通过减少工作负债循环来降低功耗，由于带宽的增加，蓝牙 2.0 增加了连接设备的数量。

2007 年：蓝牙 2.1

蓝牙 2.1 新增了 Sniff Subrating 省电功能，将设备间相互确认的讯号发送时间间隔从旧版的 0.1 秒延长到 0.5 秒左右，从而让蓝牙芯片的工作负载大幅降低。

另外，新增 SSP 简易安全配对功能，改善了蓝牙设备的配对体验，同时提升了使用和安全强度。

支持 NFC 近场通信，只要将两个内置有 NFC 芯片的蓝牙设备相互靠近，配对密码将通过 NFC 进行传输，无需手动输入。

第三代蓝牙：High Speed，传输速率高达 24Mbps

2009 年：蓝牙 3.0

蓝牙 3.0 新增了可选技术 High Speed，High Speed 可以使蓝牙调用 802.11 WiFi 用于实现高速数据传输，传输率高达 24Mbps，是蓝牙 2.0 的 8 倍，轻松实现录像机至高清电视、PC 至 PMP、UMPC 至打印机之间的资料传输。

蓝牙 3.0 的核心是 AMP（Generic Alternate MAC/PHY），这是一种全新的交替射频技术，允许蓝牙协议栈针对任一任务动态地选择正确射频。

功耗方面，蓝牙 3.0 引入了 EPC 增强电源控制技术，再辅以 802.11，实际空闲功耗明显降低。

此外，新的规范还加入 UCD 单向广播无连接数据技术，提高了蓝牙设备的相应能力。

第四代蓝牙：主推「 Low Energy」低功耗

2010 年：蓝牙 4.0

2010年7月7日，蓝牙技术联盟推出了蓝牙4.0规范。其最重要的特性是支持省电。蓝牙 4.0 是迄今为止第一个蓝牙综合协议规范，将三种规格集成在一起。还提出了低功耗蓝牙、传统蓝牙和高速蓝牙三种模式：

高速蓝牙主攻数据交换与传输；传统蓝牙则以信息沟通、设备连接为重点；「低功耗蓝牙」以不需占用太多带宽的设备连接为主，功耗较老版本降低了 90%。

BLE 前身是 NOKIA 开发的 Wibree 技术，本是作为一项专为移动设备开发的极低功耗的移动无线通信技术，在被 SIG 接纳并规范化之后重命名为 Bluetooth Low Energy（后简称低功耗蓝牙）。这三种协议规范还能够互相组合搭配、从而实现更广泛的应用模式。

蓝牙 4.0 的芯片模式分为 Single mode 与 Dual mode。Single mode 只能与蓝牙 4.0 互相传输无法向下与 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。前者应用于使用纽扣电池的传感器设备，例如对功耗要求较高的心率检测器和温度计；后者应用于传统蓝牙设备，同时兼顾低功耗的需求。

此外，蓝牙 4.0 还把蓝牙的传输距离提升到100米以上（低功耗模式条件下）。拥有更快的响应速度，最短可在 3 毫秒内完成连接设置并开始传输数据。更安全的技术，使用 AES-128 CCM 加密算法进行数据包加密和认证。

2013 年：蓝牙 4.1

蓝牙 4.1 在传输速度和传输范围上变化很小，但在软件方面有着明显的改进。此次更新目的是为了让 Bluetooth Smart 技术最终成为物联网（Internet of Things）发展的核心动力。

支持与 LTE 无缝协作。当蓝牙与 LTE 无线电信号同时传输数据时，那么蓝牙 4.1 可以自动协调两者的传输信息，以确保协同传输，降低相互干扰。

允许开发人员和制造商自定义蓝牙 4.1 设备的重新连接间隔，为开发人员提供了更高的灵活性和掌控度。

支持云同步。蓝牙 4.1 加入了专用的 IPv6 通道，蓝牙 4.1 设备只需要连接到可以联网的设备（如手机），就可以通过 IPv6 与云端的数据进行同步，满足物联网的应用需求。

支持扩展设备与中心设备角色互换。支持蓝牙 4.1 标准的耳机、手表、键鼠，可以不用通过 PC、平板、手机等数据枢纽，实现自主收发数据。例如智能手表和计步器可以绕过智能手机，直接实现对话。

2014 年：蓝牙 4.2

蓝牙 4.2 的传输速度更加快速，比上代提高了 2.5 倍，因为蓝牙智能（Bluetooth Smart）数据包的容量提高，其可容纳的数据量相当于此前的10倍左右。

改善了传输速率和隐私保护程度，蓝牙信号想要连接或者追踪用户设备，必须经过用户许可。用户可以放心使用可穿戴设备而不用担心被跟踪。

支持 6LoWPAN，6LoWPAN 是一种基于 IPv6 的低速无线个域网标准。蓝牙 4.2 设备可以直接通过 IPv6 和 6LoWPAN 接入互联网。这一技术允许多个蓝牙设备通过一个终 端接入互联网或者局域网，这样，大部分智能家居产品可以抛弃相对复杂的WiFi 连接，改用蓝牙传输，让个人传感器和家庭间的互联更加便捷快速。

第五代蓝牙：开启物联网时代大门

2016 年：蓝牙 5.0

蓝牙 5.0 在低功耗模式下具备更快更远的传输能力，传输速率是蓝牙 4.2 的两倍（速度上限为 2Mbps），有效传输距离是蓝牙 4.2 的四倍（理论上可达 300 米），数据包容量是蓝牙 4.2 的八倍。

支持室内定位导航功能，结合 WiFi 可以实现精度小于 1 米的室内定位。

针对 IoT 物联网进行底层优化，力求以更低的功耗和更高的性能为智能家居服务。

Mesh 网状网络：实现物联网的关键钥匙

Mesh 网状网络是一项独立研发的网络技术，它能够将蓝牙设备作为信号中继站，将数据覆盖到非常大的物理区域，兼容蓝牙 4 和 5 系列的协议。

传统的蓝牙连接是通过一台设备到另一台设备的「配对」实现的，建立「一对一」或「一对多」的微型网络关系。

而 Mesh 网络能够使设备实现「多对多」的关系。Mesh 网络中每个设备节点都能发送和接收信息，只要有一个设备连上网关，信息就能够在节点之间被中继，从而让消息传输至比无线电波正常传输距离更远的位置。

这样，Mesh 网络就可以分布在制造工厂、办公楼、购物中心、商业园区以及更广的场景中，为照明设备、工业自动化设备、安防摄像机、烟雾探测器和环境传感器提供更稳定的控制方案。

2019年：蓝牙5.1

蓝牙 5.1 技术规范利用测向功能检测蓝牙信号方向，进而提升位置服务。借助蓝牙测向功能，开发者能够将可探测设备方向及实现厘米级定位精度的产品推向市场。

未来趋势

蓝牙技术的应用被认为非常广泛而且极具潜力。它可以应用于无线设备(如PDA、手机、智能电话、无绳电话、图像处理设备(照相机、打印机、扫描仪)、安全产品(智能卡、身份识别、票据管理、安全检查)、消费娱乐(耳机、MP3、游戏)汽车产品(GPS、ABS、动力系统、安全气袋)、家用电器(电视机、电冰箱、电烤箱、微波炉、音响、录像机)、医疗健身、建筑、玩具等领域。

趋势一：蓝牙技术将在智能家居市场大放异彩

据悉，源于网格（mesh）技术的推动，从2013-2018年蓝牙技术在智能家居的年复合增长率高达232%。mesh技术改变了传统蓝牙的组网方式，以广播形式组成网格，弥补了传统蓝牙不能组成大规模网络的短板，并 增强了穿墙能力，有效拓展了蓝牙的应用前景。

CSR全球标准研究院Robin Heydon则在发言中指出，仅在家庭内容，就可能用到87个蓝牙设备，如门窗、车库、厨房报警、洗碗台、地漏、餐桌、桌椅、卧室、阳台等。

另一方面，新兴的低功耗蓝牙技术（BLE）亦在整个低功耗无线通信市场上占据着举足轻重的地位，而智能家居市场的爆发将极大促进BLE技术的快速增长。主要原因有三：首先，BLE本身有低功耗优势，而且经过数年时间的发展，蓝牙技术已成为市场普遍接受的标准；其次是移动操作系统对蓝牙的支持，目前蓝牙技术已经是便携设备的标配；最后是相关应用和配件的开发，其中蓝牙耳机、蓝牙车载和蓝牙MP3深受用户喜爱。卓文泰表示，未来蓝牙技术联盟将瞄准亟需低功耗低速率的所有场景，他指出蓝牙未来将与WiFi形成良好的互补。

趋势二：带有处理能力的蓝牙芯片与传感器结合

为了更好的实现智能化，未来蓝牙芯片将和传感器进行深度融合，最有可能的是厂商会提供SIP封装形式的蓝牙芯片组。卓文泰表示，未来蓝牙与传感器结合可以把采集的数据直接送到云端进行处理，这样每个装有蓝牙模块的设备都成为智能设备，这样的应用在家庭、办公场所可以有很大发挥的潜力。

趋势三、基于Beacon技术的室内定位

卓文泰指出，基于蓝牙的Beacon定位技术精度高，成本低，将颠覆未来的零售模式。例如，当你走入一家零售商店时，Beacons定位技术可以对你精准定位当你走到外套橱窗时，手机会弹出相关的促销信息，甚至会根据你以往的采购大数据来推荐衣服。

蓝牙技术及蓝牙产品的特点

1、蓝牙技术的适用设备多，无需电缆，通过无线使电脑和电信连网进行通信。

2、蓝牙技术的工作频段全球通用，适用于全球范围内用户无界限的使用，解决了蜂窝式移动电话的“国界”障碍。蓝牙技术产品使用方便，利用蓝牙设备可以搜索到另外一个蓝牙技术产品，迅速建立起两个设备之间的联系，在控制软件的作用下，可以自动传输数据。

3、蓝牙技术的安全性和抗干扰能力强，由于蓝牙技术具有跳频的功能，有效避免了ISM频带遇到干扰源。蓝牙技术的兼容性较好，蓝牙技术已经能够发展成为独立于操作系统的一项技术，实现了各种操作系统中良好的兼容性能。

4、传输距离较短：现阶段，蓝牙技术的主要工作范围在10米左右，经过增加射频功率后的蓝牙技术可以在100米的范围进行工作，只有这样才能保证蓝牙在传播时的工作质量与效率，提高蓝牙的传播速度。另外，在蓝牙技术连接过程中还可以有效的降低该技术与其他电子产品之间的干扰，从而保证蓝牙技术可以正常运行。蓝牙技术不仅有较高的传播质量与效率，同时还具有较高的传播安全性特点。

5、通过跳频扩频技术进行传播：蓝牙技术在实际应用期间，可以原有的频点进行划分、转化，如果采用一些跳频速度较快的蓝牙技术，那么整个蓝牙系统中的主单元都会通过自动跳频的形式进行转换，从而将其以随机的进行跳频。由于蓝牙技术的本身具有较高的安全性与抗干扰能力，在实际应用期间可以蓝牙运行的质量。

几种无线技术的对比