探寻蓝牙的未来：从蓝牙1.0到蓝牙5.4，如何引领无线连接革命？

►►►蓝牙名字的来源

这要源于一个小故事，公元940-985年，哈洛德·布美塔特(Harald Blatand)，后人称Harald Bluetooth，统一了整个丹麦。他的名字“Blatand”可能取自两个古老的丹麦词语。“bla”意思是黑皮肤的，而“tan”是伟人的含义。和许多君王一样 ，哈洛德四处扩张，为政治、经济和荣誉而征战。公元960年哈洛德到达了他权力的最高点，征服了整个丹麦和挪威。而蓝牙是这个丹麦国王Viking的“绰号”，因为他爱吃蓝莓，牙齿被染蓝，因此而得这一绰号“Bluetooth”。

图 1 Harald Blatand

目前使用的蓝牙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”结合在一起，形成了现在人们所熟知的蓝色标识。

图 2 蓝牙Logo

►►►蓝牙技术的起源

“蓝牙”技术起源于1989年。爱立信移动公司Nils Rydbeck博士和Johan Ullman博士想开发无线耳机，取代有线耳机。Jaap Haartsen博士后续参与该项目，仅5年时间就取得突破并提出第一个协议。1999年拉斯维加斯计算机博览会上。他们向世界展示了第一款免提蓝牙耳机，获得了佳奖。

►►►蓝牙技术定义

蓝牙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。

蓝牙作为一种支持设备短距离通信的无线电技术，它能够在设备间实现低成本、低功耗、方便快捷的数据通信和语音通信。蓝牙技术在我们生活中已经无处不在。我们可以看到，在我们的生活中，我们使用真无线耳机打电话、使用蓝牙音响播放音乐、通过车载蓝牙与汽车互动，几乎所有的智能手机、平板电脑、笔记本电脑、汽车，甚至是家居都已经标配了蓝牙技术。蓝牙技术正不断颠覆我们与设备互动、设备与设备互动的方式。据市调机构ABI Research最新数据显示，2018年，全球蓝牙设备出货量约37亿台左右，而到了2023年，这一数据将增长到54亿台。

在了解蓝牙技术历史前，需清楚蓝牙技术联盟(SIG)是干什么的，蓝牙技术联盟(Bluetooth Special Interest Group)是一家贸易协会，由电信、计算机、汽车制造、工业自动化和网络行业的领先厂商组成。蓝牙技术联盟是一个以制定蓝牙规范，以推动蓝牙技术为宗旨的跨国组织。它拥有蓝牙的商标，负责认证制造厂商，授权他们使用蓝牙技术与蓝牙标志，但是它本身不负责蓝牙装置的设计、生产及贩售。

►►►蓝牙技术迭代历史

从1994年至今的二十余年中，蓝牙技术不仅几经沉浮遭受到各种类型其它技术标准的冲击，甚至一度销声匿迹，但在这二十余年中蓝牙技术在不断地进行自我升级，最终经历了五代技术更新，多个技术版本后，依然在二十余年后的今天依然是无线通信技术领域中最为重要的技术标准之一。

图 3 蓝牙迭代路线

►►►初代蓝牙技术

1998年推出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，确定蓝牙使用2.4 GHz 频段。无需像红外线一样接口对接口发起连接，蓝牙设备在有效通讯范围内，就可进行连接。

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。

►►►第一代蓝牙

1999年：蓝牙1.0，早期的蓝牙1.0 A 和1.0B 版存在多个问题，厂商产品互不兼容。同时，在两个设备连接的过程中，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。因此，蓝牙并未受到广泛的应用，当时支持蓝牙功能的电子设备种类少，价格也十分昂贵。

2001年：蓝牙1.1正式列入IEEE 802.15.1标准，定义物理层(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0.7 Mbps。因为是早期设计，容易受到同频率产品干扰，影响通讯质量。

2003年：蓝牙1.2针对1.0版本的安全性问题，完善了匿名方式，新增屏蔽设备的硬件地址功能，保护用户免受身份嗅探攻击和跟踪，同时向下兼容1.1版。此外还增加了四项新功能：

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

2.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；

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

4.支持Stereo音效的传输要求，但只能以单工方式工作。

图 4 全世界第一款内置蓝牙手机爱立信T39mc

►►►第二代蓝牙

2004年：蓝牙2.0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3 Mbps。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/图片。通过减少工作负载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，传输速度达到以前的三倍以上。方便传输更大的文件，无疑更适合被运用到耳机当中，高传输速满足传输CD般的大容量音频文件；更低的电流消耗则可以明显延长耳机的续航和待机时间。但蓝牙2.0也存在限制，蓝牙2.0只能进行短距离的数据传输，扩大范围就不行了；针对苹果终端使用蓝牙耳机需要MFI认证，方可使用蓝牙传输数据，费用昂贵。

2007年：蓝牙2.1新增了省电功能，将设备间相互确认的信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。新增SSP（安全简易配对）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。

图 5 正与无线耳机蓝牙通信的Sony Ericsson P910i PDA手机

►►►第三代蓝牙

2009年：蓝牙3.0新增High Speed，可使蓝牙调用802.11 WiFi用于实现高速数据传输，传输率高达24 Mbps，是蓝牙2.0的8倍，轻松实现录像机至高清电视、PC至打印机之间的传输。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，提高了蓝牙设备的响应能力。

图 6 蓝牙适配器

►►►第四代蓝牙

2010年：蓝牙4.0是第一个蓝牙综合协议规范，将三种规格集成在一起。其中最重要的变化就是BLE(Bluetooth Low Energy)低功耗功能提出了低功耗蓝牙、传统蓝牙和高速蓝牙三种模式：

1.高速蓝牙主攻数据交换与传输；

2.传统蓝牙以信息沟通、设备连接为重点；

3.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的Wibree技术，被SIG接纳重命名为Bluetooth Low Energy（低功耗蓝牙）。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。

2013年：蓝牙4.1在软件方面有着明显的改进，此次更新让Bluetooth Smart技术最终成为物联网发展的核心动力。当蓝牙与LTE无线电信号同时传输数据时，自动协调传输信息，协同传输，降低干扰；允许自定义蓝牙设备的重新连接间隔，更高的灵活性。支持云同步，蓝牙4.1加入了专用的IPv6通道，只需要连接到联网设备，通过IPv6与云端的数据进行同步；支持扩展设备与中心设备角色互换。可以不用手机、平板、PC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，实现直接对话。

2014年：蓝牙4.2推出，对比蓝牙4.0，进行了如下几个方面的提升：

1.速度传输更快，与4.1相比，蓝牙4.2标准下，设备之间的数据传输速度提升了约2.5倍，蓝牙智能数据包可容纳的数据量相当于此前的约10倍；

2.安全性更高，蓝牙4.2的安全性也有所提升，如果没有得到用户许可，蓝牙信号将无法尝试连接和追踪用户设备，并且无法进行智能定位；

3.功能更强大，新标准还推动了IPv6协议引入蓝牙标准的进程，蓝牙4.2设备可以直接通过IPv6和6LoWPAN接入互联网，且支持低功耗IP连接。

图 7 苹果 iPhone 4S首款支持蓝牙4.0智能手机

►►►第五代蓝牙

2016年：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2 Mbps），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，针对IoT物联网进行底层优化以更低的功耗和更高的性能为智能家居服务。

图 8 蓝牙5.0特点

2019年1月：蓝牙5.1版本引入无线电测向(Direction Finding)技术，从而进一步增强蓝牙位置服务(Location Services)。定位精度为分米级。蓝牙5.1使用两种是基于天线陈列(Antenna Array)的测向技术--到达角(AoA-Angle of Arrival)和发射角(AoD-Angle of Departure)，AoA技术中需要有2根以上的接收天线，AoD技术中需要有2根以上的发射天线。支持测向功能的设备发送/接收包含Constant Tone Extension(CTE)的数据包，接收机通过IQ采样计算无线电波的相位差，再基于相位差、波长及天线间距计算发射/入射角度。

2019年12月：蓝牙5.2发布了基于该版本的新一代蓝牙音频技术标准——低功耗音频LE Audio。LE Audio除了提供更为高质量的音质效果，还通过重新定义的ISO通道提供了连接和广播等不同方式的音频传输机制，创造了更可观的场景。V5.2版本给低功耗蓝牙(Bluetooth Low Energy)增加了三个新功能。LE同步信道（LE Isochronous Channels）、增强版ATT（Enhanced ATT）、LE功率控制(LE Power Control)。

2021年：蓝牙5.3主要提升在传输效率、安全性、稳定性三个方面：解决5.2版本无法传输低速率数据，加密控制增强，周期性广播增强。对低功耗蓝牙的周期性广播、连接更新、频道分级进行了完善，进一步提高了通讯效率、降低了功耗并提高了蓝牙设备的无线共存性，蓝牙设备角色命名变更，主设备(Master)变更为中心设备(Central)，从设备(Slave)变更为周边设备(Peripheral)；支持包含广播数据信息(ADI)的周期性广播。对包含重复数据的周期性广播进行过滤将减少不必要的信息交互，有助于提高通讯效率；新增LE增强版连接更新功能。通过引入亚速率连接模式极大地改进了在已经建立连接的情况下更新有效连接间隔所需时间；新增LE频道分级功能。周边设备可定期将每个频道的可用情况报告给中心设备，以在未来跳频地图更新时使用，减小相互干扰,提高 无线通信的共存性；高速(HS)配置从蓝牙核心规范中删除。

2023年1月，蓝牙5.4正式公开发布，主要更新了广播数据加密、广播编码选择、带响应的周期性广播、以及LE GATT 安全级别特征。进一步增强了蓝牙无线通信技术的安全性、有助于提升蓝牙Mesh网络及基于GATT的各类蓝牙应用的用户体验、并将在新特性的基础上开发全新蓝牙应用规范。

►►►下一版蓝牙

正在开发中的新蓝牙版本(版本号以蓝牙技术联盟未来公布为准)，引入低功耗蓝牙(BLE)信道探测功能以提供精准测距与定位解决方案，信道探测同时通过相位测量及RTT(往返时间)测量来进行距离估算并相互修正，精度更高且具备安全防护机制。

尽管包含信道探测(Channel Sounding, 简称为CS)功能的新蓝牙版本还未发布，Bluetooth SIG已于2022年11月公开技术规范草案(Change Request r02)，公众可从蓝牙技术联盟官网下载规范草案:

https://www.bluetooth.org/DocMan/handlers/DownloadDoc.ashx?doc_id=553104

以下介绍基于Bluetooth SIG公开的技术规范草案Change Request r02版本，最终的技术规范可能与预先公示的草案不同。

信道探测，此前称为高精度距离测量(High Accuracy Distance，HADM)，从根本上改进了传统的蓝牙距离和位置测量技术，即接收信号强度指标(RSSI)与信号到达角/离开角(AoA/AoD)技术。

与前几代蓝牙定位技术相比，基于蓝牙的信道探测具有更高的安全性和准确性，再结合其低功耗配置，使其非常适合汽车数字钥匙等应用，以及工业/仓库/消费者资产跟踪和实时运动/健身跟踪等一般应用。

以上便是蓝牙技术的诞生与发展历程，从中可以发现蓝牙对于未来物联网的重要性，它也将凭借着自身低功耗、高速传输、安全性高等特点进一步延伸到各个领域，让智能生活更加便捷高效。深圳市信驰达科技有限公司深耕物联网无线通信领域十来年，提供基于TI CC254x、CC264x、CC265x、CC2340、Silicon Labs EFR32BG22、EFR32xG24、Nordic nRF51、nRF52及国产芯片的蓝牙无线模块及整体解决方案，更多产品和资料，感兴趣的小伙伴可以登录我们的官网https://www.szrfstar.com/进行了解。

关于信驰达

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