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蓝牙

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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​(1989
使用于个人局域网
兼容的硬件个人电脑
智能手机
游戏控制器
音频设备
尺寸典型值低于 10米(33呎),高达100米(330呎)
Bluetooth 5.0: 40-400米(100-1,000呎)[1][2]

蓝牙(英语:Bluetooth),一种无线通讯技术标准,用来让固定与移动设备,在短距离间交换资料,以形成个人局域网PAN)。其使用短波特高频UHF无线电波,经由2.4至2.485 GHz的ISM频段来进行通信[3]。1994年由电信商爱立信Ericsson)发展出这个技术[4]。它最初的设计,是希望创建一个RS-232数据线的无线通信替代版本。它能够链接多个设备,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、网络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”一词是斯堪的纳维亚语言词汇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集成各大资通品牌的标准。蓝牙的标志是卢恩字母

Runic letter ior.svg
Hagall英语Haglaz,ᚼ)和
Runic letter berkanan.svg
Bjarkan英语Berkanan,ᛒ)的组合,也就是Harald Blåtand的首字母HB的合写。[7]

历史

创制

蓝牙技术最初由爱立信创制。技术始于爱立信公司的1994方案,它是研究在移动电话和其他配件间进行低功耗、低成本无线通信连接的方法。发明者希望为设备间的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。1997年前爱立信公司以此概念接触了移动设备制造商,讨论其项目合作发展,结果获得支持。

1998年5月20日,索尼爱立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,支持Baseband与LMP(Link Manager Protocol)通讯协定两部分。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。

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设备种类少,蓝牙设备也十分昂贵。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设备如雨后春笋般增加,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

正在以蓝牙接口与无线耳机沟通的Sony Ericsson P910i PDA手机
正在以蓝牙接口与无线耳机沟通的Sony Ericsson P910i PDA手机
蓝牙鼠标
蓝牙鼠标

蓝牙用于在不同的设备之间进行无线连接,例如连接电脑外围设备,如:打印机键盘等,又或让个人数码助理(PDA)与其它附近的PDA或电脑进行通信。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,蓝牙可以支持功能更强的长距离通讯,用以构成无线局域网每个Bluetooth设备可同时维护8个连接[来源请求]。可以将每个设备配置为不断向附近的设备声明其存在以便创建连接。另外也可以对二个设备之间的连接进行密码保护,以防止被其他设备接收。

蓝牙的标准是IEEE 802.15.1,蓝牙协议工作在无需许可的ISM(Industrial Scientific Medical)频段的2.45GHz。最高速度可达723.1kb/s。为了避免干扰可能使用2.45GHz的其它协议,蓝牙协议将该频段划分成79个波道,(带宽为1MHz)每秒的波道转换可达1600次。

原理和应用

工作方式

蓝牙技术分为基础率/增强数据率(BR/EDR)和低耗能(LE)两种技术类型。[8]其中BR/EDR型是以点对点网络拓扑结构创建一对一设备通信;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。[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。依靠蓝牙支持,电脑或PDA能通过手机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。蓝牙设备之间可以传输文件。

汽车
蓝牙免提调用系统;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PS4PSP GoWiiSwitch
家居自动化
智慧家居,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
可穿戴设备
智慧眼镜、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。[10]
蓝牙耳机
蓝牙耳机

其它的例子还有:

  • 传统有线设备的无线化,如:医用器材、GPS条形码扫描仪、交管设备、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,可连接麦克风发射信号,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,最多可支持10组蓝牙配对,包括智能手机平板电脑多媒体播放器等。车主可以通过蓝牙配对,将这些便携设备中的信息与CUE系统实现共享。比如,可以读取手机中的通讯录,通过CUE系统的人声识别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文件,通过CUE系统在车内音响中播放,并在CUE系统的显示屏上显示曲目名、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[来源请求] 300米
蓝牙5.2 2020 2 Mbit/s[来源请求] 300米
蓝牙5.1 2019 2 Mbit/s[来源请求] 300米
蓝牙5.0 2016 2 Mbit/s[12] 300米
蓝牙4.2 2014 24 Mbit/s[来源请求] 50米
蓝牙4.1 2013 24 Mbit/s[来源请求] 50米
蓝牙4.0 2010 24 Mbit/s[来源请求] 50米
蓝牙3.0+HS 2009 24 Mbit/s[13] 10米
蓝牙2.1+EDR 2007 3 Mbit/s[13] 10米
蓝牙2.0+EDR 2004 2.1 Mbit/s 10米
蓝牙1.2 2003 1 Mbit/s 10米
蓝牙1.1 2002 810 Kbit/s 10米
蓝牙1.0 1998 723.1 Kbit/s 10米

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,造成泄漏资料的危险,令一些用户却步。

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),保护用户免受身份嗅探攻击和跟踪。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):通过避免使用跳跃串行中的拥挤频率,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蓝牙服务概要同时广播到巨量的蓝牙器件。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。[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,集成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米/100米 30米
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及用户自定义的应用层 128-bit AES及用户自定义的应用层
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
网络拓扑 分散网 星状拓扑(Star) 总线拓扑(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,立体声音频流,
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”、“传统蓝牙”和“高速蓝牙”三种模式。
  • 其中:高速蓝牙主攻数据交换与传输;传统蓝牙则以信息沟通、设备连接为重点;低功耗蓝牙顾名思义,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与Dual mode。
  • Single mode只能与BT4.0互相传输无法向下兼容(与3.0/2.1/2.0无法相通);Dual mode可以向下兼容,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。所有连接都使用蓝牙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;针对一对一连接优化,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,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的软件更新版本,搭载蓝牙4.0设备的终端可通过软件更新获得此版本。
  • 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。
  • 支持多设备连接。
  • 智慧连接:增加设置设备间连接频率的支持。制造商可以对设备设置连接进行设置,使得设备可以更加智慧的控制设备电量。

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。[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,但本身不负责蓝牙设备的设计、生产及贩售。

蓝牙协议堆栈

蓝牙协议堆栈依照其功能可分四层:

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

蓝牙规范

蓝牙规范(Profile)是指蓝牙通信在那一种用途下应该使用的通信协议和相关的规范。蓝牙1.1定义的profile有13个。SIG认为蓝牙设备有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,特别和无线局域网(Wi-Fi)间的互相干扰问题。有干扰发生时,就以重新发送分组的方法来解决干扰。

安全性

JAVASymbian60平台上,使用“蓝牙黑客”或“蓝牙间谍”软件,对方同意配对就可以控制打开蓝牙的手机。此种软件可以实现的功能有:查看对方手机中的电话簿、简讯、电量、串行号;更改对方手机的情景模式和界面语言、打开对方手机内置的JAVA软件、控制手机多媒体播放器、遥控对方手机打电话、发简讯等。[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]. [永久失效链接]
  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). 

外部链接

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