一文看遍蓝牙技术的演变和发展史

发布日期:2019.09.02     浏览次数:

1、蓝牙技术的诞生

    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。。997年前爱立信公司以此概念接触了移动设备制造商,讨论其项目合作发展,结果获得支持。

    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年推出先后0.8版,0.9版、1.0 Draft版,1.0a版、1.0B版。1.0 Draft版,完成SDP(Service Discovery Protocol)协定、TCS(Telephony Control Specification)协定。1999年7月26日正式公布1.0版,确定使用2.4GHz频谱,最高资料传输速度1Mbps,同时开始了大规模宣传。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。


2、蓝牙历代版本的规格和功能


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。

Bluetooth local services用RSSI来测量两个设备的距离,在RTLS和IPS场景中,用三遍测距和加上测向技术就可以达到厘米级别的定位,测向技术依赖两种天线阵列技术来决定Blooth 的signal:Angle of arrival(AOA)技术和Angle of departure(AOD)技术,如下图:

1、Direction Finding之AOA技术:


    当传输信号穿过接收机的天线阵列的时候,接收机的天线阵列从不同的角度和方向接受到这个传输信号,每个方向可以看作是这个传输信号的矢量相位,接受机会在天线阵列中提取活跃的天线的IQ样本,根据IQ样本,接收机可以算出信号的方向。AOA测向可以应用在RTLS、item finding、POL等 Local Services之后。

2、Direction Finding之AOD技术:


    AOD测向一般用在IPS场景中用来寻路导航,定位器locator采用天线阵列,接收机是一般的手机就可以(当然要有相应的app),只需一个天线就可以。当信号从当locator的多个信号发出时,这些信号会穿越手机的天线,手机会提取IQ样本,根据IQ样本,就可以计算出信号的方向。