一文讀懂藍牙技術從1.0到5.0的前世今生

從音頻傳輸、圖文傳輸、影片傳輸，再到以低功耗為主打的物聯網傳輸，藍牙應用的場景也越來越廣。

-shenzhenware-

世界是藍色的，而不知不覺這個世界將有 40 億藍牙設備了。這篇文章，我們將帶你一起回顧藍牙 1.0 到 5.0 的技術變遷，從音頻傳輸、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，越來越廣闊的藍牙應用的場景。關於藍牙技術你所不知道的前世今生，都在這裡了。（文末亦有彩蛋）

也許很少有人知道，藍牙（Bluetooth）一詞取自於十世紀丹麥國王哈拉爾的名字 Harald Bluetooth。

而將「藍牙」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。

^ 藍牙名稱的想法來自英特爾的 Jim Kardach，他當時正在閱讀有關維京人和哈拉爾國王的歷史小說 | 圖源：Nordicsemi

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，他希望藍牙也可以成為統一的通用傳輸標準——將所有分散的設備與內容互聯互通。藍牙的 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 拚在一起，成為了今天大家熟知的藍色徽標。

^ 圖源：Fabrikbrands

當年的人們不會想到，20 年後這個藍色徽標的應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頻，把搖桿連接到遊戲主機，到使用蘋果的「隔空投遞」傳輸檔案。藍牙已經從當初的高科技賣點變成了現在移動設備的標配技術，成為了我們生活中不可或缺的一部分。

藍牙的起源

藍牙的歷史實際上要追溯到第二次世界大戰。藍牙的核心是短距離無線電通訊，它的基礎來自於跳頻擴頻（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，通過使用 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干擾能力。

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，跳頻擴頻（FHSS）技術後來在解決包括藍牙、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。

藍牙技術開始於愛立信在 1994 年創製的方案，該方案旨在研究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無線通訊創造一組統一規則（標準化協定），以解決用戶間互不兼容的移動電子設備的通信問題，用於替代 RS-232 串口通訊標準。

^ 難忘當年的愛立信 | 圖源：WIKI

愛立信發現，解決兼容問題的方法是將各種不同的通信設備通過移動電話接入到蜂窩網上，而這種連接的最後一段就是短距離的無線連接。隨著項目的進展，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），即藍牙技術聯盟的前身，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接的藍牙技術標準。當年藍牙推出 0.7 規格，支持 Baseband 與 LMP（Link Manager Protocol）通訊協定兩部分。

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，藍牙有著更高的傳輸速度，而且不需要像紅外線那樣進行接口對接口的連接，所有藍牙設備基本上只要在有效通訊範圍內使用，就可以進行隨時連接。

1999 年下半年，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。

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。

^ 藍牙技術變遷歷史 | 圖源：BlueAPP

第一代藍牙：關於短距離通訊早期的探索

1999 年：藍牙 1.0

早期的藍牙 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兼容。同時，在兩個設備「鏈接」（Handshaking）的過程中，藍牙硬體的地址（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，藍牙並未立即受到廣泛的應用。除了當時對應藍牙功能的電子設備種類少，藍牙裝置也十分昂貴。

2001 年：藍牙 1.1

藍牙 1.1 版正式列入 IEEE 802.15.1 標準，該標準定義了物理層（PHY）和媒體訪問控制（MAC）規範，用於設備間的無線連接，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干擾，影響通訊品質。

2003 年：藍牙 1.2

藍牙 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，新增屏蔽設備的硬體地址（BD_ADDR）功能，保護用戶免受身份嗅探攻擊和跟蹤，同時向下兼容 1.1 版。此外，還增加了四項新功能：

AFH（Adaptive Frequency Hopping）適應性跳頻技術，減少了藍牙產品與其它無線通訊裝置之間所產生的干擾問題；

eSCO（Extended Synchronous Connection-Oriented links）延伸同步連結導向信道技術，用於提供 QoS 的音頻傳輸，進一步滿足高階語音與音頻產品的需求；

Faster Connection 快速連接功能，可以縮短重新搜索與再連接的時間，使連接過程更為穩定快速；

支持 Stereo 音效的傳輸要求，但只能以單工方式工作。

^ 代表作：愛立信第一台藍牙手機 T39mc | 圖源：WIKI

第二代藍牙：發力傳輸速率的 EDR 時代

2004 年：藍牙 2.0

藍牙 2.0 是 1.2 版本的改良版，新增的 EDR（Enhanced Data Rate）技術通過提高多任務處理和多種藍牙設備同時運行的能力，使得藍牙設備的傳輸率可達 3Mbps。

藍牙 2.0 支持雙工模式：可以一邊進行語音通訊，一邊傳輸文檔/高質素圖片。

同時，EDR 技術通過減少工作負債循環來降低功耗，由於帶寬的增加，藍牙 2.0 增加了連接設備的數量。

2007 年：藍牙 2.1

藍牙 2.1 新增了 Sniff Subrating 省電功能，將設備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，從而讓藍牙芯片的工作負載大幅降低。

另外，新增 SSP 簡易安全配對功能，改善了藍牙設備的配對體驗，同時提升了使用和安全強度。

支持 NFC 近場通信，只要將兩個內置有 NFC 芯片的藍牙設備相互靠近，配對密碼將通過 NFC 進行傳輸，無需手動輸入。

^ 代表作：正在以藍牙與無線耳機溝通的 Sony Ericsson P910i PDA 手機 | 圖源：WIKI

第三代藍牙：High Speed，傳輸速率高達 24Mbps

2009 年：藍牙 3.0

藍牙 3.0 新增了可選技術 High Speed，High Speed 可以使藍牙調用 802.11 WiFi 用於實現高速數據傳輸，傳輸率高達 24Mbps，是藍牙 2.0 的 8 倍，輕鬆實現錄影機至高清電視、PC 至 PMP、UMPC 至印表機之間的資料傳輸。

藍牙 3.0 的核心是 AMP（Generic Alternate MAC/PHY），這是一種全新的交替射頻技術，允許藍牙協定棧針對任一任務動態地選擇正確射頻。

功耗方面，藍牙 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 單向廣播無連接數據技術，提高了藍牙設備的相應能力。

^ 代表作：藍牙適配器 | 圖源：未來世界網

第四代藍牙：主推「 Low Energy」低功耗

2010 年：藍牙 4.0

藍牙 4.0 是迄今為止第一個藍牙綜合協定規範，將三種規格集成在一起。其中最重要的變化就是 BLE（Bluetooth Low Energy）低功耗功能，提出了低功耗藍牙、傳統藍牙和高速藍牙三種模式：

「高速藍牙」主攻數據交換與傳輸；「傳統藍牙」則以資訊溝通、設備連接為重點；「低功耗藍牙」以不需佔用太多帶寬的設備連接為主，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）。這三種協定規範還能夠互相組合搭配、從而實現更廣泛的應用模式。

藍牙 4.0 的芯片模式分為 Single mode 與 Dual mode。Single mode 只能與藍牙 4.0 互相傳輸無法向下與 3.0/2.1/2.0 版本兼容；Dual mode 可以向下兼容 3.0/2.1/2.0 版本。前者應用於使用紐扣電池的傳感器設備，例如對功耗要求較高的心率檢測器和溫度計；後者應用於傳統藍牙設備，同時兼顧低功耗的需求。

此外，藍牙 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）。擁有更快的響應速度，最短可在 3 毫秒內完成連接設定並開始傳輸數據。更安全的技術，使用 AES-128 CCM 加密算法進行數據包加密和認證。

^ 代表作：蘋果 iPhone 4S 是第一款支持藍牙 4.0 標準的智能手機 | 圖源：Quora

2013 年：藍牙 4.1

藍牙 4.1 在傳輸速度和傳輸範圍上變化很小，但在軟體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。當藍牙與 LTE 無線電信號同時傳輸數據時，那麽藍牙 4.1 可以自動協調兩者的傳輸資訊，以確保協同傳輸，降低相互干擾。

允許開發人員和製造商「自定義」藍牙 4.1 設備的重新連接間隔，為開發人員提供了更高的靈活性和掌控度。

支持「雲同步」。藍牙 4.1 加入了專用的 IPv6 通道，藍牙 4.1 設備只需要連接到可以聯網的設備（如手機），就可以通過 IPv6 與雲端的數據進行同步，滿足物聯網的應用需求。

支持「擴展設備」與「中心設備」角色互換。支持藍牙 4.1 標準的耳機、手錶、鍵鼠，可以不用通過 PC、平板、手機等數據樞紐，實現自主收發數據。例如智能手錶和計步器可以繞過智能手機，直接實現對話。

2014 年：藍牙 4.2

藍牙 4.2 的傳輸速度更加快速，比上代提高了 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。

改善了傳輸速率和隱私保護程度，藍牙信號想要連接或者追蹤用戶設備，必須經過用戶許可。用戶可以放心使用可穿戴設備而不用擔心被跟蹤。

支持 6LoWPAN，6LoWPAN 是一種基於 IPv6 的低速無線個域網標準。藍牙 4.2 設備可以直接通過 IPv6 和 6LoWPAN 接入互聯網。這一技術允許多個藍牙設備通過一個終端接入互聯網或者局域網，這樣，大部分智能家居產品可以拋棄相對複雜的 WiFi 連接，改用藍牙傳輸，讓個人傳感器和家庭間的互聯更加便捷快速。

^ 歷代藍牙標準性能 | 圖源：Android Authority

第五代藍牙：開啟「物聯網」時代大門

2016 年：藍牙 5.0

藍牙 5.0 在低功耗模式下具備更快更遠的傳輸能力，傳輸速率是藍牙 4.2 的兩倍（速度上限為 2Mbps），有效傳輸距離是藍牙 4.2 的四倍（理論上可達 300 米），數據包容量是藍牙 4.2 的八倍。

支持室內定位導航功能，結合 WiFi 可以實現精度小於 1 米的室內定位。

針對 IoT 物聯網進行底層優化，力求以更低的功耗和更高的性能為智能家居服務。

^ 低功耗版藍牙與經典版藍牙參數 | 圖源：Android Authority

Mesh 網狀網絡：實現物聯網的關鍵「鑰匙」

Mesh 網狀網絡是一項獨立研發的網絡技術，它能夠將藍牙設備作為信號中繼站，將數據覆蓋到非常大的物理區域，兼容藍牙 4 和 5 系列的協定。

傳統的藍牙連接是通過一台設備到另一台設備的「配對」實現的，建立「一對一」或「一對多」的微型網絡關係。

而 Mesh 網絡能夠使設備實現「多對多」的關係。Mesh 網絡中每個設備節點都能發送和接收資訊，只要有一個設備連上網關，資訊就能夠在節點之間被中繼，從而讓消息傳輸至比無線電波正常傳輸距離更遠的位置。

這樣，Mesh 網絡就可以分布在製造工廠、辦公樓、購物中心、商業園區以及更廣的場景中，為照明設備、工業自動化設備、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。

^ 辦公樓裡的 Mesh 網絡 | 圖源：Buletooth

物聯網：未來藍牙技術的新主場

自 1998 年來，藍牙協定已經進行了多次更新，從音頻傳輸、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。一方面維持著藍牙設備向下兼容性，另一方面藍牙也正應用於越來越多的物聯網設備。

隨著 Low Energy 版藍牙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，未來藍牙的主要發力點將集中在物聯網，而不僅僅局限於移動設備，而 Mesh 網狀網絡的加入，使得藍牙自成 IoT 體系成為可能。

據 SIG 的市場報告預估，到 2018 年底，全球藍牙設備出貨量將多達 40 億，其中：手機、平板和 PC 今年出貨量可達 20 億，音頻和娛樂設備出貨量可達 12 億，全球 86% 出廠的汽車將具備藍牙功能，智能家居藍牙設備出貨量可達 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。

隨著藍牙 5 技術的出現和藍牙 mesh 技術的成熟，大大降低了設備之間的長距離、多設備通訊門檻，為未來的 IoT 帶來了更大的想象太空。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：關注「深圳灣」微信公眾號（ID: shenzhenware）回復「藍牙」獲得 2018 藍牙市場報告。

實習編輯：江翎海 / 深圳灣

審校：陳壹零 / 深圳灣

特別感謝：廖澤立（Jimmy Liao），智能硬體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。智能硬體領域連續創業者，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體研發、製造工作，包含智能穿戴、智能家居、智能戶外產品等。

資料參考：

藍牙的發展史.部落格園

一篇文章看懂藍牙發展史及各版本技術特點詳細.電子發燒友論壇