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藍牙發展史及各版本技術特點詳細

發布者:時間:2018-03-22 09:50:01瀏覽量:

自2014年12月發布藍牙4.2標準以來,時隔1年多後,藍牙技術聯盟(Bluetooth Special Interest Group)於本周五透露新一代藍牙標準5.0的官方發布日期—6月16日。藍牙技術聯盟的常務董事Mark Powell在郵件中表示新標準在傳輸速度上是最新藍牙4.2版本的4倍,覆蓋範圍是其的2倍。

此外,藍牙5還為廣告傳播帶來了“值得關注的更大性能”,能夠允許設備廠商來創建比Beacon或者基於地理位置服務的更複雜微妙的連接係統。援引外媒Ars Technica解釋,通過藍牙設備發送的廣告數據包具備能夠被其他藍牙設備檢測和解碼的微型信息,哪怕這些設備都未完成配對。

例如,類似於Magic Mouse 2和Magic Trackpad等蘋果周邊通過掃描附近配件從而直接在Mac主機上進行現實。此外蘋果還能使用Data Rich包來驅動Handoff和iBeacon技術。

據悉藍牙5標準的最大特性之一,將是可以支持室內定位功能,若結合Wi-Fi技術,有機會可以實現精確度1米之內的定位,對於 大型賣場、百貨公司,或是停車場等等的業者而言,將會帶來莫大幫助,有助翻新人類熟悉的科技生活。

在對5.0有了基本的了解之後,百家乐网址對其到來抱有很大的期望。就此,百家乐网址想回顧一下藍牙的發展史,讓大家對這個覆蓋範圍廣泛的無線技術有一個全麵的了解:

什麽是藍牙

藍牙技術是一種尖端的開放式無線通訊標準,能夠在短距離範圍內無線連接桌上型電腦與筆記本電腦、便攜設備、PDA、移動電話、拍照手機、打印機、數碼相機、耳麥、鍵盤甚至是電腦鼠標。

利用“藍牙”技術,能夠有效地簡化移動通信終端設備之間的通信,也能夠簡化設備與因特網Internet之間的通信,從而數據傳輸變得更加迅速高效。

藍牙采用分散式網絡結構以及快跳頻和短包技術,支持點對點及點對多點通信,工作在全球通用的2.4GHz ISM(即工業、科學、醫學)頻段。其數據速率為1Mbps。采用時分雙工傳輸方案實現全雙工傳輸。

藍牙協議堆棧依照其功能可分四層:核心協議層(HCI、LMP、L2CAP、SDP)、線纜替換協議層(RFCOMM)、電話控製協議層(TCS-BIN)

和選用協議層(PPP、TCP、IP、UDP、OBEX、IrMC、WAP、WAE)

簡言之,藍牙技術讓各種數碼設備之間能夠無線溝通,讓散落各種連線的桌麵成為曆史。有了藍牙無線技術,你就可以輕鬆連接你的電腦和便攜設備、移動電話以及其它外圍設備――在 9 米(30英尺)距離之內以無線方式彼此連接。

相比於其他無線技術:紅外、無線2.4G、WiFi來說,藍牙具有加密措施完善,傳輸過程穩定以及兼容設備豐富等諸多優點。尤其是在授權門檻逐漸降低的今天,藍牙技術開始真正普及到所有的數碼設備。不過,藍牙這一路走來也並非完美,從1.0到4.2,再到現在的5.0,是一個不平凡的過程。

藍牙名字的來源

這要源於一個小故事。

公元940-985年,哈洛德。布美塔特(Harald Blatand),後人稱Harald Bluetooth,統一了整個丹麥。他的名字“Blatand”可能取自兩個古老的丹麥詞語。“bla”意思是黑皮膚的,而“tan”是偉人的含義。和許多君王一樣 ,哈洛德四 處擴張,為政治、經濟和榮譽而征戰。公元960年哈洛德到達了他權力的最高點,征服了整個丹麥和挪威。而藍牙是這個丹麥國王Viking的“綽號”,因為他愛吃藍梅,牙齒被染藍,因此而得這一“綽號”。

在行業協會籌備階段,需要一個極具有表現力的名字來命名這項高新技術。行業組織人員,在經過一夜關於歐洲曆史和未來無線技術發展的討論後,有些人認為用Blatand國王的名字命名再合適不過了。Blatand國王將挪威,瑞典和丹麥統一起來;他的口齒伶俐,善於交際,就如同這項即將麵世的技術,技術將被定義為允許不同工業領域之間的協調工作,保持著各個係統領域之間的良好交流,例如計算機,手機和汽車行業之間的工作。

為什麽要推出藍牙?

藍牙技術最初由愛立信創製。技術始於愛立信公司的1994方案,它是研究在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通訊創造一組統一規則(標準化協議),以解決用戶間互不兼容的移動電子設備。

研究的目的是要找到一種方法,能夠除掉連接移動電話和PC卡、耳機、台式電腦及其他設備之間的電纜。此項研究是一個大項目的一部分,該項目是要研究如何將各種不同的通信設備通過移動電話接入到蜂窩網上。公司得出結論,這種連接的最後一段應該是短距離的無線連接。隨著項目的進展,日益明朗化的是短距離無線通信的應用範圍幾乎無限廣闊。

1997年,愛立信公司借此概念接觸了移動設備製造商,討論其項目合作發展,結果獲得支持。

1998年5月,愛立信、諾基亞、東芝、IBM和英特爾公司等五家著名廠商,在聯合開展短程無線通信技術的標準化活動時提出了藍牙技術。

1999年5月20日,這五家廠商成立了藍牙“特別興趣組”(Special Interest Group,SIG),即藍牙技術聯盟的前身,以使藍牙技術能夠成為未來的無線通信標準。芯片霸主Intel公司負責半導體芯片和傳輸軟件的開發,愛立信負責無線射頻和移動電話軟件的開發,IBM和東芝負責筆記本電腦接口規格的開發。

1999年下半年,著名的業界巨頭微軟、摩托羅拉、三星、朗訊與藍牙特別小組的五家公司共同發起成立了藍牙技術推廣組織,從而在全球範圍內掀起了一股“藍牙”熱潮。全球業界即將開發一大批藍牙技術的應用產品,使藍牙技術呈現出極其廣闊的市場前景,並預示著21世紀初將迎來波瀾壯闊的全球無線通信浪潮。

到2000年4月,SIG的成員數已超過1500,其成長速度超過任何其他的無線聯盟。這些公司聯合開發了藍牙1.0標準,並於1999年7月公布。藍牙標準包括兩個文件:

基礎核心協議——提供設計標準;

基礎應用規範——提供互操作性準則。

核心協議文件描述了射頻、基帶、鏈路管理器、業務發現協議、傳輸層以及與其他協議的互操作性等內容;應用規範文件描述了各種不同類型的藍牙應用所要求的協議和過程。

2006年10月13日,Bluetooth SIG(藍牙技術聯盟)宣布聯想公司取代IBM在該組織中的創始成員位置,並立即生效。通過成為創始成員,聯想將與其他業界領導廠商傑爾係統公司、愛立信公司、英特爾公司、微軟公司、摩托羅拉公司、諾基亞公司和東芝公司一樣擁有藍牙技術聯盟董事會中的一席,並積極推動藍牙標準的發展。

除了創始成員以外,Bluetooth SIG還包括200多家聯盟成員公司以及約6000家應用成員企業。而企業隻要使用“藍牙(Bluetooth)”相關商標在市場上銷售產品,都必須向藍牙技術聯盟交納商標使用費和產品認證費。

2008年,藍牙技術聯盟準備新設立一個“初級應用成員公司”的會員級別,如果是年營業額小於300萬美元的中小企業,入會費為零,認證兩款藍牙產品的費用降至2500美元。

藍牙的版本演進

在5.0之前,藍牙經過了多個版本的演進,主要為為1.1、1.2、2.0、2.1、3.0、4.0、4.1和4.2,下文百家乐网址將就每一個不同的版本技術特點進行詳細介紹:

藍牙版本發展史及技術特點詳細

上表中:

EDR:全稱為Enhanced Data Rate。通過提高多任務處理和多種藍牙設備同時運行的能力,EDR使得藍牙設備的傳輸速度可達3Mbps。

HS:全稱為High Speed。HS使得Bluetooth能利用WiFi作為傳輸方式進行數據傳輸,其支持的傳輸速度最高可達24Mbps。其核心是在802.11的基礎上,通過集成802.11協議適配層,使得藍牙協議棧可以根據任務和設備的不同,選擇正確的射頻。

BLE:全稱為Bluetooth Low Energy。藍牙規範4.0最重要的一個特性就是低功耗。BLE使得藍牙設備可通過一粒紐扣電池供電以維持續工作數年之久。很明顯,BLE使得藍牙設備在鍾表、遠程控製、醫療保健及運動感應器等市場具有極光明的應用場景。

藍牙1.1標準

1.1 為最早期版本,傳輸率約在748~810kb/s,因是早期設計,容易受到同頻率之產品所幹擾下影響通訊質量。

藍牙1.2標準

1.2 同樣是隻有 748~810kb/s 的傳輸率,但在加上了(改善 Software)抗幹擾跳頻功能。

這個版本向下兼容1.1版,其主要改進包括:

匿名方式:屏蔽設備的硬件地址(BD_ADDR),保護用戶免受身份嗅探攻擊和跟蹤。從1.1版開始已經可以實現硬件匿名,但未被實施,因此對普通消費者來說還是沒有此功能。

自適應頻率跳躍(AFH,Adaptive Frequency Hopping):通過避免使用跳躍序列中的擁擠頻率,從而改善對無線電幹涉的抵抗。

更高的實際傳輸速度,實際測試約為24KB/S(192Kbps)左右。

L2CAP層引入了流量控製和錯誤糾正機製

藍牙2.0標準

2.0 是 1.2 的改良提升版,傳輸率約在 1.8M/s~2.1M/s,開始支持雙工模式——即一麵作語音通訊,同時亦可以傳輸檔案/高質素圖片,2.0 版本當然也支持 Stereo 運作。

應用最為廣泛的是Bluetooth 2.0+EDR標準,該標準在2004年已經推出,支持Bluetooth 2.0+EDR標準的產品也於2006年大量出現。

雖然Bluetooth 2.0+EDR標準在技術上作了大量的改進,但從1.X標準延續下來的配置流程複雜和設備功耗較大的問題依然存在。

2.0版的內容還沒有什麽明確的信息,但愛立信的研究者公布了一些內容:

加入了“非跳躍窄頻通道”(Non-hopping narrowband channel)。

因為不需要與每個設備交換應答信號,這種通道可以用來將各種器件的藍牙服務概要同時廣播到巨量的藍牙器件。應答信號交換過程當前需要大約一秒。

實時公共交通時刻表、基本的交通暢通性信息和高級交通指向指示等未加密信息可以以高速度發送給設備。

更高的連接速度(實際測試速度為280KB/s=2240Kbps[來源請求])

支持多個速度水平

藍牙2.1標準

2007年8月2日,藍牙技術聯盟今天正式批準了藍牙2.1版規範,即“藍牙2.1+EDR”,可供未來的設備自由使用。和2.0版本同時代產品,目前仍然占據藍牙市場較大份額,相對2.0版本主要是提高了待機時間2倍以上,技術標準沒有根本性變化。

藍牙核心規範2.1+EDR向下對1.2版本完全兼容,藍牙技術聯盟於2007年7月26日通過。

藍牙2.1,增加了Sniff省電功能,使得適配器與設備的聯係時間延長到0.5秒,能節約不小電量;增強功能有簡單安全配對(SSP),這改善了藍牙設備的配對經驗,同時提升了使用和安全強度

藍牙3.0標準

2009年4月21日,藍牙技術聯盟(Bluetooth SIG)正式頒布了新一代標準規範“Bluetooth Core Specification Version 3.0 High Speed”(藍牙核心規範3.0版 ),藍牙3.0的核心是“Generic Alternate MAC/PHY”(AMP),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態地選擇正確射頻。

藍牙3.0的數據傳輸率提高到了大約24Mbps(即可在需要的時候調用802.11 WI-FI用於實現高速數據傳輸)。在傳輸速度上,藍牙3.0是藍牙2.0的八倍,可以輕鬆用於錄像機至高清電視、PC至PMP、UMPC至打印機之間的 資料傳輸,但是需要雙方都達到此標準才能實現功能。

更高的數據傳輸速率,集成802.11PAL最高速度可達24Mbps。是2.0速度的8倍。

引入了增強電源控製,實際空閑功耗明顯降低。

藍牙4.0標準

藍牙4.0規範於2010年7月7日正式發布,新版本的最大意義在於低功耗,同時加強不同OEM廠商之間的設備兼容性,並且降低延遲,理論最高 傳輸速度依然為24Mbps(即3MB/s),有效覆蓋範圍擴大到100米(之前的版本為10米)。該標準芯片被大量的手機、平板所采用,如蘋果The New ipads平板電腦,以及蘋果iphoness 5、魅族MX4、HTC One X等手機上帶有藍牙4.0功能。

藍牙4.0最重要的特性是支持省電;

Bluetooth 4.0,協議組成和當前主流的Bluetooth h2.x+EDR、還未普及的Bluetooth h3.0+HS不同,Bluetooth 4.0是Bluetooth從誕生至今唯一的一個綜合協議規範,

還提出了“低功耗藍牙”、“傳統藍牙”和“高速藍牙”三種模式。

其中: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;藍牙低功耗顧名思義,以不需占用太多帶寬的設備連接為主。前身其實是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接納並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,此外,Bluetooth 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)。

分Single mode與Dual mode。

Single mode隻能與BT4.0互相傳輸無法向下兼容(與3.0/2.1/2.0無法相通);Dual mode可以向下兼容可與BT4.0傳輸也可以跟3.0/2.1/2.0傳輸

超低的峰值、平均和待機模式功耗,覆蓋範圍增強,最大範圍可超過100米。

速度:支持1Mbps數據傳輸率下的超短數據包,最少8個八組位,最多27個。所有連接都使用藍牙2.1加入的減速呼吸模式(sniff subrating)來達到超低工作循環。

跳頻:使用所有藍牙規範版本通用的自適應跳頻,最大程度地減少和其他2.4 GHz ISM頻段無線技術的串擾。

主控製:可以休眠更長時間,隻在需要執行動作的時候才喚醒。

延遲:最短可在3毫秒內完成連接設置並開始傳輸數據。

健壯性:所有數據包都使用24-bit CRC校驗,確保最大程度抵禦幹擾。

安全:使用AES-128 CCM加密算法進行數據包加密和認證。

拓撲:每個數據包的每次接收都使用32位尋址,理論上可連接數十億設備;針對一對一連接最優化,並支持星形拓撲的一對多連接;使用快速連接和斷開,數據可以在網狀拓撲內轉移而無需維持複雜的網狀網絡。

藍牙4.1標準

藍牙4.1於2013年12月6日發布,與LTE無線電信號之間如果同時傳輸數據,那麽藍牙4.1可以自動協調兩者的傳輸信息,理論上可以減少 其它信號對藍牙4.1的幹擾。改進是提升了連接速度並且更加智能化,比如減少了設備之間重新連接的時間,意味著用戶如果走出了藍牙4.1的信號範圍並且斷 開連接的時間不算很長,當用戶再次回到信號範圍中之後設備將自動連接,反應時間要比藍牙4.0更短。最後一個改進之處是提高傳輸效率,如果用戶連接的設備 非常多,比如連接了多部可穿戴設備,彼此之間的信息都能即時發送到接接收設備上。

除此之外,藍牙4.1也為開發人員增加了更多的靈活性,這個改變對普通用戶沒有很大影響,但是對於軟件開發者來說是很重要的,因為為了應對逐漸興起的可穿戴設備,那麽藍牙必須能夠支持同時連接多部設備。

藍牙4.2標準

2014年12月4日,最新的藍牙4.2標準頒布,改善了數據傳輸速度和隱私保護程度,並接入了該設備將可直接通過IPv6和6LoWPAN接入互聯網。在新的標準下藍牙信號想要連接或者追蹤用戶設備必須經過用戶許可,否則藍牙信號將無法連接和追蹤用戶設備。

速度方麵變得更加快速,兩部藍牙設備之間的數據傳輸速度提高了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於此前的10倍左右。

特別說明:低功耗藍牙

藍牙4.0將三種規格集一體,包括傳統藍牙技術,高速技術和低功耗技術,與3.0版本相比最大的不同就是低功耗。“4.0版本的功耗較老版本降低了90%,更省電,”隨著藍牙技術由手機、遊戲、耳機、便攜電腦和汽車傳統應用領域向物聯網、醫療新領域的擴展,對低功耗的要求會越來越高,4.0版本強化了藍牙在數據傳輸上的低功耗性能。



藍牙版本發展史及技術特點詳細

低功耗藍牙為何如此省電?它和經典藍牙技術相比,主要的改變幾種體現在待機功耗的減少,高速鏈接的實現和峰值功率的降低三個方麵。

待機功耗的下降

傳統藍牙設備的待機耗電量大一直是為人所摳病的缺陷之一,這與傳統藍牙技術動測采用16~32個頻道進行廣播不無關係,而低功耗藍牙僅使用了3個廣播通道,且每次廣播時射頻的開啟時間也由傳統的22.5ms減少到0.6~1.2ms,這兩個協議規範上的改變顯然大大降低了因為廣播數據導致的待機功耗;此外低功耗藍牙設計了用深度睡眠狀態來替換藍牙的空閑狀態,在深度睡眠狀態下,主機長時間處於超低的負載循環(DutyCycle)狀態,隻在需要運作時由控製器來啟動,因主機較控製器消耗更多的能源,因此這樣的設計也節省了最多的能源;在深度睡眠狀態下,協議也針對此通訊模式進行了優化,數據發送間隔時間也增加到了0.5~4s,傳感器類應用程序發送的數據量較平常少很多,而且所有連接均采用先進的嗅探性次額定(Sn if f-Subrating)功能模式,因此此時的射頻能耗幾乎可以忽略不計,綜合以上因素,低功耗藍牙的待機功耗較傳統藍牙大大減少。

高速連接的實現

要明白這一過程,百家乐网址必須先介紹一下藍牙設備和主機設備的連接步驟。

第一步:通過掃描,試圖發現新設備

第二步:確認發現的設備沒有而已軟件,也沒有處於鎖定狀態

第三步:發送IP地址

第四步:收到並解讀待配對設備發送過來的數據

第五步:建立並保存連接

按照傳統的藍牙協議規範,若某一藍牙設備正在進行廣播,則它不會響應當前正在進行的設備掃描,而低功耗藍牙協議規範允許正在進行廣播的設備連接到正在掃描的設備上,這就有效避免了重複掃描,而通過對連接機製的改善,低功耗藍牙下的設備連接建立過程可控製在3ms內完成,同時能以應用程序迅速啟動連接器,並以數毫秒的傳輸速度完成經認可的數據傳遞後並立即關閉連接,而傳統藍牙協議下即使隻是建立鏈路層連接都需要花費100ms,建立L2CAP(邏輯鏈路控製與適應協議)層的連接建立時間則更長。

藍牙低功耗協議還對拓撲結構進行了優化,通過在每個從設備及每個數據包上使用32位的存取地址,能夠讓數十億個設備能被同時連接,此技術不但將傳統藍牙一對一的連接優化,同時也利用星狀拓撲來完成一對多點的連接,在連接和斷線切換迅速的應用場景下,數據能夠在網狀拓撲之間移動,但不至於為了維持此網絡而顯得過於複雜,這也有效減輕了連接複雜性,減少了連接建立時間。

降低峰值功率

低功耗藍牙對數據包長度進行了更加嚴格的定義,支持超短(8~27Byte)數據封包,並使用了隨機射頻參數和增加了GSFK調製索引,這些措施最大限度地減少了數據收發的複雜性;此外低功耗藍牙還通過增加調變指數,並采用24位的CRC確保封包在受幹擾時具有更大的穩定度,低功耗藍牙的射程增加至100m以上,以上措施結合藍牙傳統的跳頻原理,有效降低了峰值功率。

藍牙2016年技術藍圖

藍牙聯盟在2016 的主要方針集中在以藍牙低功耗為首的物聯網布局,主要有三大方向,包括使藍牙低功耗的傳輸距離強化四倍、傳統藍牙傳輸提升到2Mbit/s ,以及支援物聯網產業期待已久的藍牙Mesh (網狀網絡)。

其中延伸藍牙低功耗以及支援藍牙Mesh 對於物聯網都是相當重大的布局,使距離延伸的優點在於對自動化、工業控製、智慧家庭等應用的因為距離延伸變得更實用,至於支援Mesh 最大的優點就是使藍牙設備與終端不再僅有點對點以及延伸模式,而是使各藍牙裝置之間可彼此相連,同時也可借此網路模式延伸藍牙管理的距離。

而提升100% 的傳輸速度,不僅隻是增加頻寬,同時使藍牙也能用於重視延遲的應用,例如醫療設備等領域,可藉由今年藍牙新標準的頒布得以使資訊傳輸以及管理更及時。

除了物聯網以及用於連接裝置等應用外,藍牙技術也在近年有更多的的應用,尤其是Beacon 技術正在改變定位與服務,藉由Beacon 技術取代條碼,使用者可輕鬆的獲取相關資訊,且同時也能藉由藍牙技術進行室內的定位服務,能用於百貨或是車站的室內導航,百貨商品業者的找尋櫃位等應用;另外就是透過距離的拓展以及即將導入的Mesh ,藍牙也預期可為自動化解決方案帶來更多的變化以及彈性。

在上述的新發展目標之外,藍牙聯盟也在三月公布了一項新的技術TDS ( Transport Discovery Service ),這項技術中文稱為傳輸發現技術,透過藍芽搜尋與啟動範圍內的可用無線鏈路,借此偵測附近無線裝置與服務,並且使使用者可以關閉裝置中功耗較高的技術,並於需要時再開啟,藍牙聯盟希望借此技術能夠在物聯網的環境中使能源管理更好。