一文讀懂藍芽技術從 1.0 到 5.0 的前世今生
藍芽技術在未來大有可為。
世界是藍色的，而不知不覺這個世界將有 40 億藍芽器材了。這篇文章，我們將帶你一起回顧藍芽 1.0 到 5.0 的技術變遷，從音訊傳輸、圖文傳輸、影片傳輸，再到以低功耗為主打的物聯網傳輸。我們還將和你一起梳理，越來越廣闊的藍芽套用的場景。關於藍芽技術你所不知道的前世今生，都在這裏了。（文末亦有彩蛋）
也許很少有人知道，藍芽（Bluetooth）一詞取自於十世紀丹麥國王哈拉爾的名字 Harald Bluetooth。
而將「藍芽」與後來的無線通訊技術標準關聯在一起的，是一位來自英特爾的工程師 Jim Kardach。他在一次無線通訊行業會議上，提議將「Bluetooth」作為無線通訊技術標準的名稱。
由於哈拉爾國王以統一了因宗教戰爭和領土爭議而分裂的挪威與丹麥而聞名於世，國王的成就與 Jim Kardach 的理念不謀而合，他希望藍芽也可以成為統一的通用傳輸標準——將所有分散的器材與內容互聯互通。藍芽的 LOGO 來自後弗薩克文的符文組合，將哈拉爾國王名字的首字母 H 和 B 拼在一起，成為了今天大家熟知的藍色徽標。
當年的人們不會想到，20 年後這個藍色徽標的套用範圍已經遠遠超出他們所預想的使用場景。從利用無線耳機接收音訊，把手柄連線到遊戲主機，到使用蘋果的「隔空投遞」傳輸檔。藍芽已經從當初的高科技賣點變成了現在流動通訊器材的標配技術，成為了我們生活中不可或缺的一部份。
藍芽的起源
藍芽的歷史實際上要追溯到第二次世界大戰。藍芽的核心是短距離無線電通訊，它的基礎來自於跳頻展頻（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，透過使用 88 種不同載波頻率的無線電控制魚雷，由於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。
起初該項技術並沒有引起美國軍方的重視，直到 20 世紀 80 年代才被軍方用於戰場上的無線通訊系統，跳頻展頻（FHSS）技術後來在解決包括藍芽、WiFi、3G 移動通訊系統在無線數據收發問題上發揮著關鍵作用。
藍芽技術開始於愛立信在 1994 年創制的方案，該方案旨在研究流動電話和其他配件間進行低功耗、低成本無線通訊連線的方法。發明者希望為器材間的無線通訊創造一組統一規則（標準化協定），以解決使用者間互不相容的移動電子器材的通訊問題，用於替代 RS-232 串口通訊標準。
愛立信發現，解決相容問題的方法是將各種不同的通訊器材透過流動電話接入到蜂窩網上，而這種連線的最後一段就是短距離的無線連線。隨著專案的進展，愛立信把大量資源投入到短距離無線通訊技術的研發上。
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「特別興趣小組」（Special Interest Group，SIG），即藍芽技術聯盟的前身，目標是開發一個成本低、效益高、可以在短距離範圍內隨意無線連線的藍芽技術標準。當年藍芽推出 0.7 規格，支持 Baseband 與 LMP（Link Manager Protocol）通訊協定兩部份。
1999 年先後推出 0.8 版、0.9 版、1.0 Draft 版。完成了 SDP（Service Discovery Protocol）協定和 TCS（Telephony Control Specification）協定。
1999 年 7 月 26 日正式公布 1.0A 版，確定使用 2.4GHz 頻段。和當時流行的紅外線技術相比，藍芽有著更高的傳輸速度，而且不需要像紅外線那樣進行介面對介面的連線，所有藍芽器材基本上只要在有效通訊範圍內使用，就可以進行隨時連線。
1999 年下半年，微軟、摩托羅拉、三星、朗訊與藍芽特別小組的五家公司共同發起成立了藍芽技術推廣組織，從而在全球範圍內掀起了一股「藍芽」熱潮。
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。
第一代藍芽：關於短距離通訊早期的探索
1999 年：藍芽 1.0
早期的藍芽 1.0 A 和 1.0B 版存在多個問題，有多家廠商指出他們的產品互不相容。同時，在兩個器材「連結」（Handshaking）的過程中，藍芽硬件的地址（BD_ADDR）會被發送出去，在協定的層面上不能做到匿名，造成泄漏數據的危險。
因此，當 1.0 版本推出以後，藍芽並未立即受到廣泛的套用。除了當時對應藍芽功能的電子器材種類少，藍芽裝置也十分昂貴。
2001 年：藍芽 1.1
藍芽 1.1 版正式列入 IEEE 802.15.1 標準，該標準定義了實體層（PHY）和媒體存取控制（MAC）規範，用於器材間的無線連線，傳輸率為 0.7Mbps。但因為是早期設計，容易受到同頻率之間產品幹擾，影響通訊質素。
2003 年：藍芽 1.2
藍芽 1.2 版針對 1.0 版本暴露出的安全性問題，完善了匿名方式，新增遮蔽器材的硬件地址（BD_ADDR）功能，保護使用者免受身份嗅探攻擊和跟蹤，同時向下相容 1.1 版。此外，還增加了四項新功能：
第二代藍芽：發力傳輸速率的 EDR 時代
2004 年：藍芽 2.0
藍芽 2.0 是 1.2 版本的改良版，新增的 EDR（Enhanced Data Rate）技術透過提高多工處理和多種藍芽器材同時執行的能力，使得藍芽器材的傳輸率可達 3Mbps。
藍芽 2.0 支持雙工模式：可以一邊進行語音通訊，一邊傳輸文件/高質素圖片。
同時， EDR 技術透過減少工作負債迴圈來降低功耗，由於頻寬的增加，藍芽 2.0 增加了連線器材的數量。
2007 年：藍芽 2.1
藍芽 2.1 新增了 Sniff Subrating 省電功能，將器材間相互確認的訊號發送時間間隔從舊版的 0.1 秒延長到 0.5 秒左右，從而讓藍芽芯片的工作負載大幅降低。
另外，新增 SSP 簡易安全配對功能，改善了藍芽器材的配對體驗，同時提升了使用和安全強度。
支持 NFC 近場通訊，只要將兩個內建有 NFC 芯片的藍芽器材相互靠近，配對密碼將透過 NFC 進行傳輸，無需手動輸入。
第三代藍芽：High Speed，傳輸速率高達 24Mbps
2009 年：藍芽 3.0
藍芽 3.0 新增了可選技術 High Speed，High Speed 可以使藍芽呼叫 802.11 WiFi 用於實作高速數據傳輸，傳輸率高達 24Mbps，是藍芽 2.0 的 8 倍，輕松實作錄像機至高畫質電視、PC 至 PMP、UMPC 至印表機之間的資料傳輸。
藍芽 3.0 的核心是 AMP（Generic Alternate MAC/PHY），這是一種全新的交替射頻技術，允許藍芽協定棧針對任一任務動態地選擇正確射頻。
功耗方面，藍芽 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 單向廣播無連線數據技術，提高了藍芽器材的相應能力。
第四代藍芽：主推「 Low Energy」低功耗
2010 年：藍芽 4.0
藍芽 4.0 是迄今為止第一個藍芽綜合協定規範，將三種規格整合在一起。其中最重要的變化就是 BLE（Bluetooth Low Energy）低功耗功能，提出了 低功耗藍芽、傳統藍芽 和 高速藍芽 三種模式：
「高速藍芽」主攻數據交換與傳輸；「傳統藍芽」則以資訊溝通、器材連線為重點；「低功耗藍芽」以不需占用太多頻寬的器材連線為主，功耗較老版本降低了 90%。
BLE 前身是 NOKIA 開發的 Wibree 技術，本是作為一項專為流動通訊器材開發的極低功耗的移動無線通訊技術，在被 SIG 接納並規範化之後重新命名為 Bluetooth Low Energy（後簡稱低功耗藍芽）。這三種協定規範還能夠互相組合搭配、從而實作更廣泛的套用模式。
藍芽 4.0 的芯片模式分為 Single mode 與 Dual mode。Single mode 只能與藍芽 4.0 互相傳輸無法向下與 3.0/2.1/2.0 版本相容；Dual mode 可以向下相容 3.0/2.1/2.0 版本。前者套用於使用紐扣電池的傳感器器材，例如對功耗要求較高的心率檢測器和溫度計；後者套用於傳統藍芽器材，同時兼顧低功耗的需求。
此外，藍芽 4.0 還把藍芽的傳輸距離提升到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 毫秒內完成連線設定並開始傳輸數據。更安全的技術，使用 AES-128 CCM 加密演算法進行封包加密和認證。
2013 年：藍芽 4.1
藍芽 4.1 在傳輸速度和傳輸範圍上變化很小，但在軟件方面有著明顯的改進。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。當藍芽與 LTE 無線電訊號同時傳輸數據時，那麽藍芽 4.1 可以自動協調兩者的傳輸資訊，以確保協同傳輸，降低相互幹擾。
允許開發人員和制造商「自訂」藍芽 4.1 器材的重新連線間隔，為開發人員提供了更高的靈活性和掌控度。
支持「雲同步」。藍芽 4.1 加入了專用的 IPv6 通道，藍芽 4.1 器材只需要連線到可以聯網的器材（如手機），就可以透過 IPv6 與雲端的數據進行同步，滿足物聯網的套用需求。
支持「擴充套件器材」與「中心器材」角色互換。支持藍芽 4.1 標準的耳機、手表、鍵鼠，可以不用透過 PC、平板、手機等數據樞紐，實作自主收發數據。例如智能手錶和計步器可以繞過智能電話，直接實作對話。
2014 年：藍芽 4.2
藍芽 4.2 的傳輸速度更加快速，比上代提高了 2.5 倍，因為藍芽智能（Bluetooth Smart）封包的容量提高，其可容納的數據量相當於此前的10倍左右。
改善了傳輸速率和私密保護程度，藍芽訊號想要連線或者追蹤使用者器材，必須經過使用者特許。使用者可以放心使用可穿戴器材而不用擔心被跟蹤。
支持 6LoWPAN，6LoWPAN 是一種基於 IPv6 的低速無線個域網標準。藍芽 4.2 器材可以直接透過 IPv6 和 6LoWPAN 接入互聯網。這一技術允許多個藍芽器材透過一個終端接入互聯網或者區域網路，這樣，大部份智能家居產品可以拋棄相對復雜的WiFi 連線，改用藍芽傳輸，讓個人傳感器和家庭間的互聯更加便捷快速。
第五代藍芽：開啟「物聯網」時代大門
2016 年：藍芽 5.0
藍芽 5.0 在低功耗模式下具備更快更遠的傳輸能力，傳輸速率是藍芽 4.2 的兩倍（速度上限為 2Mbps），有效傳輸距離是藍芽 4.2 的四倍（理論上可達 300 米），封包容量是藍芽 4.2 的八倍。
支持室內定位導航功能，結合 WiFi 可以實作精度小於 1 米的室內定位。
針對 IoT 物聯網進行底層最佳化，力求以更低的功耗和更高的效能為智能家居服務。
Mesh 網狀網絡：實作物聯網的關鍵「鑰匙」
Mesh 網狀網絡是一項獨立研發的網絡技術，它能夠將藍芽器材作為訊號中繼站，將數據覆蓋到非常大的物理區域，相容藍芽 4 和 5 系列的協定。
傳統的藍芽連線是透過一台器材到另一台器材的「配對」實作的，建立「一對一」或「一對多」的微型網絡關系。
而 Mesh 網絡能夠使器材實作「多對多」的關系。Mesh 網絡中每個器材節點都能發送和接收資訊，只要有一個器材連上閘道器，資訊就能夠在節點之間被中繼，從而讓訊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，為照明器材、工業自動化器材、安防攝影機、煙霧探測器和環境傳感器提供更穩定的控制方案。
手機、音訊、汽車、智能家居，未來藍芽技術的重要賽道
自 1998 年來，藍芽協定已經進行了多次更新，從音訊傳輸、圖文傳輸、影片傳輸，再到以低功耗為主打的物聯網數據傳輸。一方面維持著藍芽器材向下相容性，另一方面藍芽也正套用於越來越多的物聯網器材。
隨著 Low Energy 版藍芽在功耗和傳輸效率上的不斷提升， classic 版本自 3.0 後就更新不大。可以預見，未來藍芽的主要發力點將集中在物聯網，而不僅僅局限於流動通訊器材，而 Mesh 網狀網絡的加入，使得藍芽自成 IoT 體系成為可能。
據 SIG 的市場報告預估，到 2018 年底，全球藍芽器材出貨量將多達 40 億，其中：手機、平板和 PC 今年出貨量可達 20 億，音訊和娛樂器材出貨量可達 12 億，全球 86% 出廠的汽車將具備藍芽功能，智能家居藍芽器材出貨量可達 6.5 億，智能建築、智慧城市、智慧工業等均將成為未來潛力賽道。
隨著藍芽 5 技術的出現和藍芽 mesh 技術的成熟，大大降低了器材之間的長距離、多器材通訊門檻，為未來的 IoT 帶來了更大的想象空間。這項 20 年前問世的技術，未來還會煥發出蓬勃的生命力。
文末彩蛋： 關註「深圳灣」微信公眾號（ID: shenzhenware）回復「藍芽」獲得 2018 藍芽市場報告。
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主筆 ：江翎海 / 深圳灣
審校 ：陳壹零 / 深圳灣
特別感謝 ： 廖澤立（Jimmy Liao），智能硬件超級玩家和資深技術專家，JIMTECH 創始人，同時擔任深圳灣特聘技術專家、華為 2012 實驗室合作夥伴、MIoT 合作夥伴。智能硬件領域連續創業者，擅長以產品經理思維來整合技術專業知識。操手過不同品類智能硬件研發、制造工作，包含智能穿戴、智能家居、智能戶外產品等。
資料參考 ：
The history of the Bluetooth Special Interest Group.bluetooth.com
Bluetooth Technology: What Has Changed Over The Years.medium.com
A quick history of Bluetooth.androidauthority.com
藍芽的發展史.網誌園
一篇文章看懂藍芽發展史及各版本技術特點詳細.電子發燒友論壇
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