藍牙,一種无线通讯技術標準,用來讓固定與行動裝置,在短距離間交換資料,以形成個人區域網絡(PAN)。其使用短波特高頻(UHF)無線電波,經由2.4至2.485 GHz的ISM頻段來進行通信它最初的設計,是希望建立一個RS-232數據線的無線通訊替代版本。它能夠連結多個裝置,克服同步的問題。
藍牙技術目前由藍牙技術聯盟(SIG)來負責維護其技術標準,其成員已超過三万,分布在電信、電腦、網路與消費性電子產品等领域IEEE曾經將藍牙技術標準化為IEEE 802.15.1,但是這個標準已經不再繼續使用。
目录
名称标识
“Bluetooth”一词是斯堪的纳维亚语言词汇的英语化。这个词的来源是10世纪丹麦和挪威國王藍牙哈拉爾,借國王的绰号「Blåtand[[Category:含有Template:ISO 639 name da的條目]]」當名稱,直接翻譯成中文爲「藍牙」。原本台灣翻譯為「藍芽」,但2006年時,藍牙技術聯盟組織已將全球中文譯名統一改採直譯為「藍牙」,並註冊為該組織的註冊商標。
哈拉爾國王因嗜食藍莓而牙齒被染藍,故有藍牙哈拉爾之稱。他曾統一挪威和丹麥,因此藍牙技術的研發小組以其名號期許新技術能整合各大資通品牌的標準。蓝牙的标志是盧恩字母 8pxᚼ)和 8px)的组合,也就是的首字母HB的合写[1]。
原理和应用
工作方式
蓝牙技术分为基础率/增强数据率(BR/EDR)和低耗能(LE)两种技术类型。其中BR/EDR型是以点对点网络拓扑结构建立一对一设备通信;LE型则使用点对点(一对一)、广播(一对多)和网格(多对多)等多种网络拓扑结构。
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。依靠藍牙支持,电脑或PDA能通过手机的调制解调器实现拨号上网。可以在一定距离内架设电脑间的无线网络或数个以太网之间的无线桥架。藍牙设备之间可以传输文件。
汽车 蓝牙免提呼叫系统;车载音频娱乐系统;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PS4、PSP Go、 Wii、Switch。 |
家居自动化 智能家居,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 移动电话和免提设备之间的无线通讯,这也是最初流行的应用。 |
电脑与外设 鼠标、键盘、耳机、打印机等 |
可穿戴设备 智能眼镜、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像机 |
运动和健身 健身跟踪手环和智能手表,瑜伽垫、棒球棍等 |
零售和位置导向式服务 实时定位系统(RTLS),应用"节点"或"标签"嵌入被跟踪物品中读卡器从标签接收并处理无线信号以确定物品位置。 |
其它的例子还有:
规格和功能
蓝牙版本 | 發布時間 | 最大傳輸速度 | 傳輸距離 |
---|---|---|---|
藍牙5.1 | 2019 | 48 Mbit/s | 300公尺 |
蓝牙5.0 | 2016 | 48 Mbit/s | 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 | 10公尺 |
蓝牙2.1+EDR | 2007 | 3 Mbit/s | 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版本存在多個問題,多家廠商指出他們的產品互不兼容。同時,在兩個裝置「連結」(handshaking)的過程中,藍牙硬件的位址(BD_ADDR)會被傳送出去,在協定的層面上不能做到匿名,造成洩漏資料的危險,令一些使用者卻步。
蓝牙1.2版本可以向下兼容1.1版,其主要改进包括:
- 匿名方式:屏蔽设备的硬件地址(BD_ADDR),保护用戶免受身分嗅探攻击和跟踪。从1.1版开始已经可以实现硬件匿名,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)。因为不需要与每个设备交换应答信号,这种通道可以用来将各种器件的藍牙服务概要同时广播到巨量的藍牙器件。应答信号交换过程当前需要大约一秒。实时公共交通时刻表、基本的交通畅通性信息和高级交通指向指示等未加密信息可以以高速度发送给设备。更高的连接速度,支持多个速度水平。
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版本完全兼容,并增加了Sniff省电功能,使得适配器与设备的联系时间延长到0.5秒,能节约不小电量;增强功能有简单安全配对(SSP),这改善了蓝牙设备的配对经验,同时提升了使用和安全强度。
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。藍牙3.0+HS提高了資料傳輸速率,集成802.11PAL最高速度可達24Mbps。是蓝牙2.0速度的8倍。此外,引入了增強電源控制,實際空閒功耗明顯降低。
第四代
技術規範 | 典型藍牙 | 低耗電藍牙 |
---|---|---|
無線電頻率 | 2.4 GHz | 2.4 GHz |
距離 | 10米/100米 | 30米 |
空中數據速率 | 1-3 Mb/s | 1 Mb/s |
應用吞吐量 | 0.7-2.1 Mb/s | 0.2 Mb/s |
節點/單元 | 7-16,777,184 | 未定義(理論最大值為2^32) |
安全 | 64/128-bit及用戶自定義的應用層 | 128-bit AES及用戶自定義的應用層 |
強健性 | 自動適應快速跳頻,FEC,快速ACK | 自動適應快速跳頻 |
延遲(非連接狀態) | 100 ms | <6 ms |
發送數據的總時間 | 0.625 ms | 3 ms |
政府監管 | 全球 | 全球 |
認證機構 | 藍牙技術聯盟(Bluetooth SIG) | 藍牙技術聯盟(Bluetooth SIG) |
語音能力 | 有 | 沒有 |
網絡拓撲 | 分散網 | 星狀拓撲(Star) 匯流排拓撲(Bus) 網狀拓撲(Mesh) |
耗電量 | 1(作為參考) | 0.01至0.5(視使用情況) |
最大操作電流 | <30 mA | <15 mA(最高運行時為15 mA) |
服務探索 | 有 | 有 |
簡介概念 | 有 | 有 |
主要用途 | 手機,遊戲機,耳機,立體聲音頻串流, 汽車和PC等 |
手機,遊戲機,PC,錶,體育和健身,醫療保健, 汽車,家用電子,自動化和工業等 |
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持省电。
- Bluetooth 4.0,协议组成和当前主流的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议规范,
- 还提出了“低功耗蓝牙”、“傳統蓝牙”和“高速蓝牙”三种模式。
- 其中:高速蓝牙主攻数据交换与传输;傳統蓝牙则以信息沟通、设备连接为重点;蓝牙低功耗顾名思义,以不需占用太多带宽的设备连接为主。前身其实是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新命名为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,此外,Bluetooth 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)。
- 分Single mode與Dual mode。
- Single mode只能與BT4.0互相傳輸無法向下相容(與3.0/2.1/2.0無法相通);Dual mode可以向下相容,可與BT4.0傳輸也可以跟3.0/2.1/2.0傳輸
- 超低的峰值、平均和待机模式功耗,覆盖范围增强,最大范围可超过100米。
- 速度:支持1Mbps数据传输率下的超短数据包,最少8个八组位,最多27个。所有连接都使用藍牙2.1加入的减速呼吸模式(sniff subrating)来达到超低工作循环。
- 跳频:使用所有藍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频段无线技术的串扰。
- 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毫秒内完成连接设置并开始传输数据。
- 健壮性:所有数据包都使用24-bit CRC校验,确保最大程度抵御干扰。
- 安全:使用AES-128 CCM加密算法进行数据包加密和认证。
- 拓扑:每个数据包的每次接收都使用32位寻址,理论上可连接数十亿设备;针对一对一连接最佳化,并支持星形拓扑的一对多连接;使用快速连接和断开,数据可以在网状拓扑内转移而无需维持复杂的网状网络。
2013年底,藍牙技術聯盟推出了藍牙4.1規範,其目的是為了讓 Bluetooth Smart 技術最終成為物聯網(Internet of Things)發展的核心動力。
- 此版本為藍牙4.0的軟件更新版本,搭載藍牙4.0設備的終端可通過軟件更新獲得此版本。
- 對於開發人員而言,該更新是藍牙技術發展史上一項重要的進步。該更新提供了更高的靈活性和掌控度,讓開發人員能創造更具創新並催化物聯網(IOT)發展的產品。
- 支持多設備連接。
- 智能連接:增加設置設備間連接頻率的支持。制造商可以對設備設置連接進行設置,使得設備可以更加智能的控制設備電量。
2014年12月,藍牙技術聯盟推出了藍牙4.2規範。
第五代
- 蓝牙5.0在2016年6月发布[2]。在有效传输距离上将是4.2LE版本的4倍(理论上可达300米),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),允许无需配对接受信标的数据(比如广告、Beacon、位置信息等,传输率提高了8倍),针对物联网进行了很多底层优化。
参考文献
- ↑ 我们天天用的蓝牙,其实是个国王?| 欧洲那些没用的有趣小知识,简书,2018-3-10
- ↑ 蓝牙5.0标准6月16日发布 室内定位/4倍提速 ,搜狐,2016-6-12