蓝牙

蓝牙
BluetoothLogo.svg
蓝牙标志
开发单位 蓝牙技术联盟
规范发布 1989年,​32年前
使用于 个人区域网路
相容的硬体 个人电脑
智慧型手机
游戏控制器
音讯装置
尺寸 典型值低于 10公尺(33英尺),高达100公尺(330英尺)
Bluetooth 5.0: 40-400公尺(100-1,000英尺)[1][2]

蓝牙(英语:Bluetooth),一种无线通讯技术标准,用来让固定与行动装置,在短距离间交换资料,以形成个人区域网路PAN)。其使用短波特高频UHF无线电波,经由2.4至2.485 GHz的ISM频段来进行通讯。1994年由电信商爱利信Ericsson)发展出这个技术。它最初的设计,是希望建立一个RS-232数据线的无线通讯替代版本。它能够连结多个装置,克服同步的问题。

蓝牙技术目前由蓝牙技术联盟SIG)来负责维护其技术标准,其成员已超过三万,分布在电信、电脑、网路与消费性电子产品等领域[5]IEEE曾经将蓝牙技术标准化为IEEE 802.15.1,但是这个标准已经不再继续使用。

名称与标识

「Bluetooth」一词是斯堪地那维亚语言词汇Blåtand/Blåtann的英语化。这个词的来源是10世纪丹麦和挪威国王蓝牙哈拉尔丹麦语Harald Blåtand Gormsen),借国王的绰号「Blåtand」当名称,直接翻译成中文为「蓝牙」(blå=蓝,tand=牙)。原本台湾翻译为「蓝芽」,但2006年时,蓝牙技术联盟组织已将全球中文译名统一改采直译为「蓝牙」,并注册为该组织的注册商标[6]

蓝牙哈拉尔曾统一了因宗教战争和领土争议而分裂的挪威丹麦,因此蓝牙技术的研发小组以其名号期许新技术能整合各大资通品牌的标准。蓝牙的标志是卢恩字母 Runic letter ior.svgHagall,ᚼ)和 Runic letter berkanan.svgBjarkan,ᛒ)的组合,也就是Harald Blåtand的首字母HB的合写。[7]

历史

创制

蓝牙技术最初由爱利信创制。技术始于爱利信公司的1994方案,它是研究在移动电话和其他配件间进行低功耗、低成本无线通讯连接的方法。发明者希望为装置间的通讯创造一组统一规则(标准化协定),以解决使用者间互不相容的移动电子装置。1997年前爱利信公司以此概念接触了行动装置制造商,讨论其专案合作发展,结果获得支援。

1998年5月20日,索尼爱利信国际商业机器英特尔诺基亚东芝公司等业界龙头创立「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。

1998年时蓝牙推出0.7规格,支援Baseband与LMP(Link Manager Protocol)通讯协定两部份。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介面对介面的连接,所有蓝牙装置基本上只要在有效通讯范围内使用,就可以进行随时连接。

当1.0规格推出以后,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装置种类少,蓝牙装置也十分昂贵。2001年的1.1版正式列入IEEE标准,Bluetooth 1.1即为IEEE 802.15.1。同年,SIG成员公司超过2000家。过了几年之后,采用蓝牙技术的电子装置如雨后春笋般增加,售价也大幅下降。为了扩宽蓝牙的应用层面和传输速度,SIG先后推出了1.2、2.0版,以及其他附加新功能,例如EDR(Enhanced Data Rate,配合2.0的技术标准,将最大传输速度提高到3Mbps)、A2DP(Advanced Audio Distribution Profile,一个控音轨分配技术,主要应用于立体声耳机)、AVRCP(A/V Remote Control Profile)等。Bluetooth 2.0将传输率提升至2Mbps、3Mbps,远大于1.x版的1Mbps(实际约723.2kbps)。

发展

正在以蓝牙介面与无线耳机沟通的Sony Ericsson P910i PDA手机
蓝牙滑鼠

蓝牙用于在不同的装置之间进行无线连接,例如连接电脑外围装置,如:印表机键盘等,又或让个人数位助理(PDA)与其它附近的PDA或电脑进行通讯。具备蓝牙技术的手机可以连接到电脑、PDA甚至连接到免持听筒。

事实上,根据已订立的标准,蓝牙可以支援功能更强的长距离通讯,用以构成无线区域网路每个Bluetooth装置可同时维护8个连接。可以将每个装置组态为不断向附近的装置声明其存在以便建立连接。另外也可以对二个装置之间的连接进行密码保护,以防止被其他装置接收。

蓝牙的标准是IEEE 802.15.1,蓝牙协定工作在无需许可的ISM(Industrial Scientific Medical)波段的2.45GHz。最高速度可达723.1kb/s。为了避免干扰可能使用2.45GHz的其它协定,蓝牙协定将该波段划分成79个频道,(频宽为1MHz)每秒的频道转换可达1600次。

原理和应用

工作方式

蓝牙技术分为基础率/增强资料率(BR/EDR)和低耗能(LE)两种技术类型。[8]其中BR/EDR型是以对等网路拓扑结构建立一对一装置通讯;LE型则使用对等(一对一)、广播(一对多)和网格(多对多)等多种网路拓扑结构。[9]

应用

蓝牙技术已经应用到超过3万个联盟技术成员的82亿件产品之中。依靠蓝牙支援,电脑或PDA能通过手机数据机实现拨号上网。可以在一定距离内架设电脑间的无线网路或数个乙太网路之间的无线桥架。蓝牙装置之间可以传输档案。

汽车
蓝牙免提呼叫系统;车载音讯娱乐系统;监测和诊断机电系统
消费类电子产品
电视和游戏系统,家用游戏机的手柄,包括PS4PSP GoWiiSwitch
家居自动化
智慧型家居,室内的照明、温度、家用电器、窗户和门锁等安全系统以及牙刷、鞋垫等日常用品。
医疗和保健
血糖监测仪、脉搏血氧仪、心率监视器、哮喘吸入器等产品
手机
移动电话和免提装置之间的无线通讯,这也是最初流行的应用。
电脑与外设
滑鼠、键盘、耳机印表机
可穿戴装置
智慧型眼镜、耳机、活动监测仪、儿童和宠物监视器、医疗救助、头部和手部安装终端以及摄录影机
运动和健身
健身跟踪手环和智慧型手表,瑜伽垫、棒球棍等
零售和位置导向式服务
即时定位系统(RTLS),应用"节点"或"标签"嵌入被跟踪物品中读卡机从标签接收并处理无线讯号以确定物品位置。[10]
蓝牙耳机

其它的例子还有:

  • 传统有线装置的无线化,如:医用器材、GPS条形码扫描器、交管装置、蓝牙无线麦克风收发机:具有发送端与接收端,发送端提供3-pin XLR接头,可连接麦克风发射讯号,接收端提供3.5mm接头/6.3mm接头,可直接插在扬声器或扩大机上,彼此之间使用蓝牙传输。[11]
  • 凯迪拉克XTS豪华轿车上所搭载的CUE移动互联体验系统的蓝牙接入功能,最多可支援10组蓝牙配对,包括智慧型手机平板电脑多媒体播放器等。车主可以通过蓝牙配对,将这些可携式装置中的资讯与CUE系统实现共享。比如,可以读取手机中的通讯录,通过CUE系统的人声辨识功能直接进行语音拨叫;可以读取手机或多媒体播放器中的音乐档案,通过CUE系统在车内音响中播放,并在CUE系统的显示器上显示曲目名、歌词和专辑封面图像等。

规格和功能

蓝牙版本 发布时间 最大传输速度 传输距离
蓝牙5.3 2021 2 Mbit/s 300公尺
蓝牙5.2 2020 2 Mbit/s 300公尺
蓝牙5.1 2019 2 Mbit/s 300公尺
蓝牙5.0 2016 2 Mbit/s[12] 300公尺
蓝牙4.2 2014 24 Mbit/s 50公尺
蓝牙4.1 2013 24 Mbit/s 50公尺
蓝牙4.0 2010 24 Mbit/s 50公尺
蓝牙3.0+HS 2009 24 Mbit/s[13] 10公尺
蓝牙2.1+EDR 2007 3 Mbit/s[13] 10公尺
蓝牙2.0+EDR 2004 2.1 Mbit/s 10公尺
蓝牙1.2 2003 1 Mbit/s 10公尺
蓝牙1.1 2002 810 Kbit/s 10公尺
蓝牙1.0 1998 723.1 Kbit/s 10公尺

第一代

早期的1.0和1.0B版本存在多个问题,多家厂商指出他们的产品互不相容。同时,在两个装置「连结」(handshaking)的过程中,蓝牙硬体的位址(BD_ADDR)会被传送出去,在协定的层面上不能做到匿名,造成泄漏资料的危险,令一些使用者却步。

蓝牙1.2版本可以向下相容1.1版,其主要改进包括:

  • 匿名方式:封锁装置的硬体位址(BD_ADDR),保护使用者免受身分嗅探攻击和跟踪。从1.1版开始已经可以实现硬体匿名,但未被实施,因此对普通消费者来说还是没有此功能。
  • 自适应频率跳跃(AFH,Adaptive Frequency Hopping):通过避免使用跳跃序列中的拥挤频率,从而改善对无线电干涉的抵抗。
  • 更高的实际传输速度,实际测试约为90KB/S(721Kbps)左右。
  • L2CAP层引入了流量控制和错误纠正机制

第二代

蓝牙2.0+EDR版加入了「非跳跃窄频通道」(Non-hopping narrowband channel)。因为不需要与每个装置交换应答讯号,这种通道可以用来将各种器件的蓝牙服务概要同时广播到巨量的蓝牙器件。应答讯号交换过程当前需要大约一秒。即时公共运输时刻表、基本的交通畅通性资讯和进阶交通指向指示等未加密资讯可以以高速度传送给装置。更高的连接速度,支援多个速度水平。

2007年7月26日,蓝牙技术联盟通过了蓝牙核心规范2.1+EDR,向下对1.2版本完全相容,并增加了Sniff省电功能,使得配接器与装置的联络时间延长到0.5秒,能节约不小电量;增强功能有简单安全配对(SSP),这改善了蓝牙装置的配对经验,同时提升了使用和安全强度。[14][查证请求]

第三代

2009年4月21日,蓝牙技术联盟颁布了蓝牙核心规范3.0版(3.0+HS),是一种全新的交替射频技术。蓝牙3.0+HS提高了资料传输速率,整合802.11PAL最高速度可达24Mbps[13]。是蓝牙2.0速度的8倍。此外,引入了增强电源控制,实际空闲功耗明显降低。[15]

第四代

低耗电蓝牙BLE(Bluetooth Low Energy)[8]
技术规范 典型蓝牙 低耗电蓝牙
无线电频率 2.4 GHz 2.4 GHz
距离 10公尺/100公尺 30公尺
空中数据速率 1-3 Mb/s 1 Mb/s
应用吞吐量 0.7-2.1 Mb/s 0.2 Mb/s
节点/单元 7-16,777,184 未定义(理论最大值为2^32)
安全 64/128-bit及使用者自订的应用层 128-bit AES及使用者自订的应用层
强健性 自动适应快速跳频,FEC,快速ACK 自动适应快速跳频
延迟(非连接状态) 100 ms <6 ms
发送数据的总时间 0.625 ms 3 ms
政府监管 全球 全球
认证机构 蓝牙技术联盟(Bluetooth SIG) 蓝牙技术联盟(Bluetooth SIG)
语音能力 没有
网路拓扑 分散网 星状拓扑(Star) 汇流排拓扑(Bus) 网状拓扑(Mesh)
耗电量 1(作为参考) 0.01至0.5(视使用情况)
最大操作电流 <30 mA <15 mA(最高运行时为15 mA)
服务探索
简介概念
主要用途 手机游戏机耳机,立体声音讯串流,
汽车PC
手机,游戏机,PC,体育健身医疗保健
汽车,家用电子,自动化工业

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援省电。

  • Bluetooth 4.0,协定组成和当前主流的Bluetooth h2.x+EDR、还未普及的Bluetooth h3.0+HS不同,Bluetooth 4.0是Bluetooth从诞生至今唯一的一个综合协定规范,
  • 还提出了「低功耗蓝牙」、「传统蓝牙」和「高速蓝牙」三种模式。
  • 其中:高速蓝牙主攻资料交换与传输;传统蓝牙则以资讯沟通、装置连接为重点;低功耗蓝牙顾名思义,以不需占用太多频宽的装置连接为主。前身其实是NOKIA开发的Wibree技术,本是作为一项专为行动装置开发的极低功耗的移动无线通讯技术,在被SIG接纳并规格化之后重新命名为Bluetooth Low Energy(后简称低功耗蓝牙)。这三种协定规范还能够互相组合搭配、从而实现更广泛的应用模式,此外,Bluetooth 4.0还把蓝牙的传输距离提升到100公尺以上(低功耗模式条件下)。
  • 分Single mode与Dual mode。
  • Single mode只能与BT4.0互相传输无法向下相容(与3.0/2.1/2.0无法相通);Dual mode可以向下相容,可与BT4.0传输也可以跟3.0/2.1/2.0传输
  • 超低的峰值、平均和待机模式功耗,覆盖范围增强,最大范围可超过100公尺。
  • 速度:支援1Mbps资料传输率下的超短封包,最少8个八组位,最多27个。所有连接都使用蓝牙2.1加入的减速呼吸模式(sniff subrating)来达到超低工作回圈。
  • 跳频:使用所有蓝牙规范版本通用的自适应跳频,最大程度地减少和其他2.4 GHz ISM波段无线技术的串扰。
  • 主控制:可以休眠更长时间,只在需要执行动作的时候才唤醒。
  • 延迟:最短可在3毫秒内完成连接设定并开始传输资料。
  • 健壮性:所有封包都使用24-bit CRC校验,确保最大程度抵御干扰。
  • 安全:使用AES-128 CCM加密演算法进行封包加密和认证。
  • 拓扑:每个封包的每次接收都使用32位元定址,理论上可连接数十亿装置;针对一对一连接最佳化,并支援星形拓扑的一对多连接;使用快速连接和断开,资料可以在网状拓扑内转移而无需维持复杂的网状网路。

2013年底,蓝牙技术联盟推出了蓝牙4.1规范,其目的是为了让 Bluetooth Smart 技术最终成为物联网(Internet of Things)发展的核心动力。

  • 此版本为蓝牙4.0的软体更新版本,搭载蓝牙4.0装置的终端可通过软体更新获得此版本。
  • 对于开发人员而言,该更新是蓝牙技术发展史上一项重要的进步。该更新提供了更高的灵活性和掌控度,让开发人员能创造更具创新并催化物联网(IOT)发展的产品。
  • 支援多装置连接。
  • 智慧型连接:增加设定装置间连接频率的支援。制造商可以对装置设定连接进行设定,使得装置可以更加智慧型的控制装置电量。

2014年12月,蓝牙技术联盟推出了蓝牙4.2规范。

第五代

  • 蓝牙5.0在2016年6月发布。在有效传输距离上将是4.2LE版本的4倍,传输速度将是4.2LE版本的2倍(速度上限为24Mbps)。蓝牙5.0还支援室内定位导航功能(结合WiFi可以实现精度小于1公尺的室内定位),允许无需配对接受信标的资料(比如广告、Beacon、位置资讯等,传输率提高了8倍),针对物联网进行了很多底层最佳化。[16][17]

2019年1月,蓝牙技术联盟推出了蓝牙5.1规范。

2020年1月,蓝牙技术联盟推出了蓝牙5.2规范。

2021年7月,蓝牙技术联盟推出了蓝牙5.3规范。

蓝牙技术联盟

蓝牙技术联盟(英语:Bluetooth Special Interest Group,缩写为SIG)拥有蓝牙的商标,负责制定蓝牙规范、认证制造厂商,授权他们使用蓝牙技术与蓝牙标志,但本身不负责蓝牙装置的设计、生产及贩售。

蓝牙协定堆叠

蓝牙协定堆叠依照其功能可分四层:

  • 核心协定层(HCI、LMP、L2CAP、SDP)
  • 线缆替换协定层(RFCOMM)
  • 电话控制协定层(TCS-BIN)
  • 选用协定层(PPP、TCP、IP、UDP、OBEX、IrMC、WAP、WAE)

蓝牙规范

蓝牙规范(Profile)是指蓝牙通讯在那一种用途下应该使用的通讯协定和相关的规范。蓝牙1.1定义的profile有13个。SIG认为蓝牙装置有4个最基本的Profile:

  • General Access Profile(GAP)
  • Service Discovery Application Profile(SDAP)
  • Serial Port Profile(SPP)
  • General Object Exchange Profile(GOEP)

缺点

干扰

Bluetooth在2.4GHz的电波干扰问题一直为大家所诟病,特别和无线区域网路(Wi-Fi)间的互相干扰问题。有干扰发生时,就以重新传送封包的方法来解决干扰。

安全性

JAVASymbian60平台上,使用「蓝牙骇客」或「蓝牙间谍」软体,对方同意配对就可以控制打开蓝牙的手机。此种软体可以实现的功能有:检视对方手机中的电话簿、简讯、电量、序列号;更改对方手机的音讯设定档和介面语言、打开对方手机内建的JAVA软体、控制手机多媒体播放器、遥控对方手机打电话、传简讯等。[18]

参见

参考文献

  1. ^ bluAir. Bluetooth Range: 100m, 1km, or 10km?. bluair.pl. [4 June 2015]. (原始内容存档于2015-06-13). 
  2. ^ Basics | Bluetooth Technology Website. Bluetooth.com. 2010-05-23 [2021-02-01]. (原始内容存档于2012-10-28). 
  3. ^ Fast Facts. [2015年10月29日]. (原始内容存档于2013年12月27日) (英语). 
  4. ^ Dutch Bluetooth inventor honoured in US. [2015年10月29日]. (原始内容存档于2017年9月1日) (英语). 
  5. ^ Newton, Harold. Newton’s telecom dictionary. 纽约: Flatiron Publishing. 2007. 
  6. ^ Tech History: How Bluetooth got its name. 2008-03-05 [2015-12-10]. (原始内容存档于2014-10-07). 
  7. ^ Bluetooth Experience Icons. Bluetooth Special Interest Group. [2016-10-21]. (原始内容 (PDF)存档于2018-12-23). Bluetooth Experience Icons borrow two of these three features: the blue color and the rune-inspired symbol. 
  8. ^ 8.0 8.1 Bluetooth Technology Overview. Bluetooth® Technology Website. [2022-02-18] (美国英语). 
  9. ^ 工作原理. Bluetooth SIG. [2017-12-18]. (原始内容存档于2017-12-06). 
  10. ^ Real Time Location Systems (PDF). Clarinox. [2010-08-05]. [永久失效连结]
  11. ^ Bluetooth Module for microphones. [2014-01-20]. (原始内容存档于2014-02-01). 
  12. ^ Bluetooth 5、2Mbpsで100m、125Kbpsなら400m. EE Times Japan. [2022-02-18] (日语). 
  13. ^ 13.0 13.1 13.2 Bluetooth 3.0発表 24Mbpsに高速化. ITmedia NEWS. [2022-02-18] (日语). 
  14. ^ 简单配对白皮书 (PDF). Version V10r00. Bluetooth SIG. 2006-08-03 [2007-02-01]. (原始内容 (PDF)存档于2006-10-18). 
  15. ^ 黎连业; 王安. 李龙 , 编. 无线网络与应用技术. 清华大学出版社. 2013: 50. ISBN 9787302322696. 
  16. ^ 存档副本. [2016-06-17]. (原始内容存档于2021-05-05). 
  17. ^ 存档副本. [2016-06-17]. (原始内容存档于2021-05-05). 
  18. ^ 留心身边的“蓝牙间谍”. 网易. [2016-01-31]. (原始内容存档于2021-03-10). 

外部连结

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