藍牙技術的誕生

藍牙的曆史實際上要追溯到第二次世界大戰。藍牙的核心是短距離無線電通訊，它的基礎來自于跳頻擴頻（FHSS）技術，由好萊塢女演員 Hedy Lamarr 和鋼琴家 George Antheil 在 1942 年 8 月申請的專利上提出。他們從鋼琴的按鍵數量上得到啟發，通過使用 88 種不同載波頻率的無線電控制魚雷，由于傳輸頻率是不斷跳變的，因此具有一定的保密能力和抗幹擾能力。

起初該項技術并沒有引起美國軍方的重視，直到 20 世紀 80 年代才被軍方用于戰場上的無線通訊系統，跳頻擴頻（FHSS）技術後來在解決包括藍牙、WiFi、3G 移動通訊系統在無線數據收發問題上發揮着關鍵作用。

藍牙技術開始于愛立信在 1994 年創制的方案，該方案旨在研究移動電話和其他配件間進行低功耗、低成本無線通信連接的方法。發明者希望為設備間的無線通訊創造一組統一規則（标準化協議），以解決用戶間互不兼容的移動電子設備的通信問題，用于替代 RS-232 串口通訊标準。。997年前愛立信公司以此概念接觸了移動設備制造商，讨論其項目合作發展，結果獲得支持。

1998 年 5 月 20 日，愛立信聯合 IBM、英特爾、諾基亞及東芝公司等 5 家著名廠商成立「特别興趣小組」（Special Interest Group，SIG），即藍牙技術聯盟的前身，目标是開發一個成本低、效益高、可以在短距離範圍内随意無線連接的藍牙技術标準。當年藍牙推出 0.7 規格，支持 Baseband 與 LMP（Link Manager Protocol）通訊協定兩部分。

1999年推出先後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）協定、TCS（Telephony Control Specification）協定。1999年7月26日正式公布1.0版，确定使用2.4GHz頻譜，最高資料傳輸速度1Mbps，同時開始了大規模宣傳。和當時流行的紅外線技術相比，藍牙有着更高的傳輸速度，而且不需要像紅外線那樣進行接口對接口的連接，所有藍牙設備基本上隻要在有效通訊範圍内使用，就可以進行随時連接。

藍牙的原理和應用

工作方式：

藍牙技術分為基礎率/增強數據率（BR/EDR）和低耗能（BLE）兩種技術類型。其中BR/EDR型是以點對點網絡拓撲結構創建一對一設備通信；BLE型則使用點對點（一對一）、廣播（一對多）和網格（多對多）等多種網絡拓撲結構。

應用：

藍牙技術已經應用到超過3萬個聯盟技術成員的82億件産品之中。依靠藍牙支持，計算機或PDA能通過手機的調制解調器實現撥号上網。可以在一定距離内架設計算機間的無線網絡或數個以太網之間的無線橋架。藍牙設備之間可以傳輸文件。

藍牙曆代版本的規格和功能

第一代藍牙：關于短距離通訊早期的探索

1999 年：藍牙 1.0

早期的藍牙 1.0 A 和 1.0B 版存在多個問題，有多家廠商指出他們的産品互不兼容。同時，在兩個設備「鍊接」（Handshaking）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，造成洩漏數據的危險。令一些用戶卻步。

2001 年：藍牙 1.1

藍牙 1.1 版正式列入 IEEE 802.15.1 标準，該标準定義了物理層（PHY）和媒體訪問控制（MAC）規範，用于設備間的無線連接，傳輸率為 0.7Mbps。但因為是早期設計，容易受到同頻率之間産品幹擾，影響通訊質量。

2003 年：藍牙 1.2

藍牙 1.2 版可以向下兼容1.1版,針對 1.0 版本暴露出的安全性問題，完善了匿名方式，新增屏蔽設備的硬件地址（BD_ADDR）功能，保護用戶免受身份嗅探攻擊和跟蹤。此外，還增加了四項新功能：

· AFH（Adaptive Frequency Hopping）适應性跳頻技術，減少了藍牙産品與其它無線通訊裝置之間所産生的幹擾問題；

· 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産品的需求；

· Faster Connection 快速連接功能，可以縮短重新搜索與再連接的時間，使連接過程更為穩定快速；

· 支持 Stereo 音效的傳輸要求，但隻能以單工方式工作。

第二代藍牙：發力傳輸速率的 EDR 時代

2004 年：藍牙 2.0

藍牙 2.0 是 1.2 版本的改良版，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 3Mbps。

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/高質素圖片。

同時， EDR 技術通過減少工作負債循環來降低功耗，由于帶寬的增加，藍牙 2.0 增加了連接設備的數量。

2007 年：藍牙 2.1

藍牙 2.1 新增了 Sniff Subrating 省電功能，将設備間相互确認的訊号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。

另外，新增 SSP 簡易安全配對功能，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，隻要将兩個内置有 NFC 芯片的藍牙設備相互靠近，配對密碼将通過 NFC 進行傳輸，無需手動輸入。

第三代藍牙：High Speed，傳輸速率高達 24Mbps

2009 年：藍牙 3.0

藍牙 3.0 新增了可選技術 High Speed，High Speed 可以使藍牙調用 802.11 WiFi 用于實現高速數據傳輸，傳輸率高達 24Mbps，是藍牙 2.0 的 8 倍，輕松實現錄像機至高清電視、PC 至 PMP、UMPC 至打印機之間的資料傳輸。

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态地選擇正确射頻。

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，新的規範還加入 UCD 單向廣播無連接數據技術，提高了藍牙設備的相應能力。

第四代藍牙：主推「 Low Energy」低功耗

2010 年：藍牙 4.0

010年7月7日，藍牙技術聯盟推出了藍牙4.0規範。其最重要的特性是支持省電。藍牙 4.0 是迄今為止第一個藍牙綜合協議規範，将三種規格集成在一起。還提出了低功耗藍牙、傳統藍牙和高速藍牙三種模式：

高速藍牙主攻數據交換與傳輸；傳統藍牙則以信息溝通、設備連接為重點；「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 開發的 Wibree 技術，本是作為一項專為移動設備開發的極低功耗的移動無線通信技術，在被 SIG 接納并規範化之後重命名為 Bluetooth Low Energy（後簡稱低功耗藍牙）。這三種協議規範還能夠互相組合搭配、從而實現更廣泛的應用模式。

藍牙 4.0 的芯片模式分為 Single mode 與 Dual mode。Single mode 隻能與藍牙 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。前者應用于使用紐扣電池的傳感器設備，例如對功耗要求較高的心率檢測器和溫度計；後者應用于傳統藍牙設備，同時兼顧低功耗的需求。

此外，藍牙 4.0 還把藍牙的傳輸距離提升到100米以上（低功耗模式條件下）。擁有更快的響應速度，最短可在 3 毫秒内完成連接設置并開始傳輸數據。更安全的技術，使用 AES-128 CCM 加密算法進行數據包加密和認證。

2013 年：藍牙 4.1

藍牙 4.1 在傳輸速度和傳輸範圍上變化很小，但在軟件方面有着明顯的改進。此次更新目的是為了讓 Bluetooth Smart 技術最終成為物聯網（Internet of Things）發展的核心動力。

支持與 LTE 無縫協作。當藍牙與 LTE 無線電信号同時傳輸數據時，那麼藍牙 4.1 可以自動協調兩者的傳輸信息，以确保協同傳輸，降低相互幹擾。

允許開發人員和制造商自定義藍牙 4.1 設備的重新連接間隔，為開發人員提供了更高的靈活性和掌控度。

支持雲同步。藍牙 4.1 加入了專用的 IPv6 通道，藍牙 4.1 設備隻需要連接到可以聯網的設備（如手機），就可以通過 IPv6 與雲端的數據進行同步，滿足物聯網的應用需求。

支持擴展設備與中心設備角色互換。支持藍牙 4.1 标準的耳機、手表、鍵鼠，可以不用通過 PC、平闆、手機等數據樞紐，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，直接實現對話。

2014 年：藍牙 4.2

藍牙 4.2 的傳輸速度更加快速，比上代提高了 2.5 倍，因為藍牙智能（Bluetooth Smart）數據包的容量提高，其可容納的數據量相當于此前的10倍左右。

改善了傳輸速率和隐私保護程度，藍牙信号想要連接或者追蹤用戶設備，必須經過用戶許可。用戶可以放心使用可穿戴設備而不用擔心被跟蹤。

支持 6LoWPAN，6LoWPAN 是一種基于 IPv6 的低速無線個域網标準。藍牙 4.2 設備可以直接通過 IPv6 和 6LoWPAN 接入互聯網。這一技術允許多個藍牙設備通過一個終端接入互聯網或者局域網，這樣，大部分智能家居産品可以抛棄相對複雜的WiFi 連接，改用藍牙傳輸，讓個人傳感器和家庭間的互聯更加便捷快速。

第五代藍牙：開啟物聯網時代大門

2016 年：藍牙 5.0

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 2Mbps），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。

支持室内定位導航功能，結合 WiFi 可以實現精度小于 1 米的室内定位。

針對 IoT 物聯網進行底層優化，力求以更低的功耗和更高的性能為智能家居服務。

Mesh 網狀網絡：實現物聯網的關鍵鑰匙

Mesh 網狀網絡是一項獨立研發的網絡技術，它能夠将藍牙設備作為信号中繼站，将數據覆蓋到非常大的物理區域，兼容藍牙 4 和 5 系列的協議。

傳統的藍牙連接是通過一台設備到另一台設備的「配對」實現的，建立「一對一」或「一對多」的微型網絡關系。

而 Mesh 網絡能夠使設備實現「多對多」的關系。Mesh 網絡中每個設備節點都能發送和接收信息，隻要有一個設備連上網關，信息就能夠在節點之間被中繼，從而讓消息傳輸至比無線電波正常傳輸距離更遠的位置。

這樣，Mesh 網絡就可以分布在制造工廠、辦公樓、購物中心、商業園區以及更廣的場景中，為照明設備、工業自動化設備、安防攝像機、煙霧探測器和環境傳感器提供更穩定的控制方案。

2019年：藍牙5.1

藍牙 5.1 技術規範利用測向功能檢測藍牙信号方向，進而提升位置服務。借助藍牙測向功能，開發者能夠将可探測設備方向及實現厘米級定位精度的産品推向市場。

Bluetooth local services用RSSI來測量兩個設備的距離，在RTLS和IPS場景中，用三遍測距和加上測向技術就可以達到厘米級别的定位，測向技術依賴兩種天線陣列技術來決定Blooth 的signal：Angle of arrival（AOA）技術和Angle of departure（AOD）技術，如下圖：

1、Direction Finding之AOA技術：

當傳輸信号穿過接收機的天線陣列的時候，接收機的天線陣列從不同的角度和方向接受到這個傳輸信号，每個方向可以看作是這個傳輸信号的矢量相位，接受機會在天線陣列中提取活躍的天線的IQ樣本，根據IQ樣本，接收機可以算出信号的方向。AOA測向可以應用在RTLS、item finding、POL等 Local Services之後。

2、Direction Finding之AOD技術：

AOD測向一般用在IPS場景中用來尋路導航，定位器locator采用天線陣列，接收機是一般的手機就可以（當然要有相應的app），隻需一個天線就可以。當信号從當locator的多個信号發出時，這些信号會穿越手機的天線，手機會提取IQ樣本，根據IQ樣本，就可以計算出信号的方向。

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