【通信观系列】二十五、蓝牙发展

世界是蓝色的，而不知不觉这个世界将有40亿蓝牙设备了。这篇文章，我们将带你一起回顾蓝牙1.0到5.0的技术变迁，从音频传输、图文传输、视频传输，再到以低功耗为主打的物联网传输。我们还将和你一起梳理，越来越广阔的蓝牙应用的场景。关于蓝牙技术你所不知道的前世今生，都在这里了。
也许很少有人知道，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。

当年的人们不会想到，20年后这个蓝色徽标的应用范围已经远远超出他们所预想的使用场景。从利用无线耳机接收音频，把手柄连接到游戏主机，到使用苹果的「隔空投递」传输文件。蓝牙已经从当初的高科技卖点变成了现在移动设备的标配技术，成为了我们生活中不可或缺的一部分。

蓝牙的起源

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。

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，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。因此，当 1.0版本推出以后，蓝牙并未立即受到广泛的应用。除了当时对应蓝牙功能的电子设备种类少，蓝牙装置也十分昂贵。

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，同时向下兼容1.1版。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）延伸同步连接导向信道技术，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

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

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

2010年：蓝牙4.0

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。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：
「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

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

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。

物联网

自1998年来，蓝牙协议已经进行了多次更新，从音频传输、图文传输、视频传输，再到以低功耗为主打的物联网数据传输。一方面维持着蓝牙设备向下兼容性，另一方面蓝牙也正应用于越来越多的物联网设备。
随着Low Energy版蓝牙在功耗和传输效率上的不断提升，Classic版本自3.0后就更新不大。可以预见，未来蓝牙的主要发力点将集中在物联网，而不仅仅局限于移动设备，Mesh网状网络的加入，使得蓝牙自成IoT体系成为可能。
据SIG的市场报告预估，到2018年底，全球蓝牙设备出货量将多达40亿，其中：手机、平板和 PC 今年出货量可达20亿，音频和娱乐设备出货量可达12亿，全球86%出厂的汽车将具备蓝牙功能，智能家居蓝牙设备出货量可达6.5亿，智能建筑、智慧城市、智慧工业等均将成为未来潜力赛道。
随着蓝牙5技术的出现和蓝牙Mesh技术的成熟，大大降低了设备之间的长距离、多设备通讯门槛，为未来的IoT带来了更大的想象空间。这项20年前问世的技术，未来还会焕发出蓬勃的生命力。