蓝牙技术简介


蓝牙(Bluetooth® ):是一种无线技术标准,可实现固定设备、移动设备和楼宇个人 域网之间的短距离数据交换(使用2.4—2.485GHz的ISM波段的UHF无线电波)。

蓝牙技术最初由电信巨头爱立信公司于1994年创制,当时是作为RS232数据线的替代方案 。1998年5月20日,索尼易立信、国际商业机器、英特尔、诺基亚及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。蓝牙可连接多个设备,克服了数据同步的难题。如今蓝牙由蓝牙技术联盟(Bluetooth Special Interest Group,简称SIG)管理。

蓝牙SIG的网址为:https://www.bluetooth.com/

SIG负责监督蓝牙规范的开发,管理认证项目,并维护商标权益。制造商的设备必须符合蓝牙技术联盟的标准才能以“蓝牙设备”的名义进入市场。蓝牙技术拥有一套专利网络,可发放给符合标准的设备。

一、称谓与商标:

可能的称谓来源和商标来源: 蓝牙的名称取自古代丹麦维京国王Harald Blåtand的名字,他以统一了因宗教战争和领土争议而分裂的挪威与丹麦而闻名于世,而这个名字的英文便是Harald Bluetooth。蓝牙的标志是卢恩字母H和B的组合,也就是Harald Blåtand的首字母HB的合写。

2006年,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。目前蓝牙的名称“蓝牙”、“藍牙”、“藍芽”、“Bluetooth”等都是属于SIG的专利,上述的标志也属于SIG的注册商标,只有通过BQB认证的产品才能得到蓝牙 技术、名称、标志 的使用许可。没有通过BQB认证的产品是不能使用这些名称和标志的,否则就侵犯了SIG 的专利。

二、蓝牙的规格和功能:

1、蓝牙标准的萌芽–蓝牙1.0、1.0B、1.1及1.2

蓝牙标准起源于爱立信,当时的版本由于传输抗干扰能力弱,而且传输速度小,因此市场上基本上没有什么产品,直到1.2版本加入了抗干扰跳频功能,因此慢慢的被市场所接受,1.2版本的增加内容如下:

  • 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24KB/S(192Kbps)左右。
  • L2CAP层引入了流量控制和错误纠正机制。

2、发展中的蓝牙–蓝牙2.0、2.1和EDR:

2004年,蓝牙技术联盟(Bluetooth SIG)推出了蓝牙2.0的标准,其是 1.2 的改良提升版,加入了EDR(Enhanced Data Rate)作为补充协议,将速率提升到约在1.8Mb/s~2.1Mb/s,开始支持双工模式——即一面作语音通讯并支持 Stereo 运作,同时亦可以传输档案/高质素图片。2007年更新到2.1版本,改善了功耗问题,标准未做大的修改。

现在的蓝牙标准的中BR/EDR(Basic Rate /Enhanced Data Rate)就是所谓标准速率蓝牙,是目前使用最为广泛的蓝牙标准。

3、更快的蓝牙–蓝牙3.0和HS:

2009年4月21日,蓝牙技术联盟(Bluetooth SIG)正式颁布了新一代标准 “Bluetooth Core Specification Version 3.0 High Speed”(蓝牙核心规范3.0版 ),蓝牙3.0的核心是”Generic Alternate MAC/PHY”(AMP),这是一种全新的交替射频技术,允许蓝牙协议栈针对任一任务动态地选择正确射频。

蓝牙3.0的数据传输率提高到了大约24Mbps(即可在需要的时候调用802.11 WI-FI用于实现高速数据传输)。在传输速度上,蓝牙3.0是蓝牙2.0的八倍,可以轻松用于录像机至高清电视、PC至PMP、UMPC至打印机之间的资料传输,但是需要双方都达到此标准才能实现功能。

4、新的起点–蓝牙4.0、4.1、4.2

2010年7月7日,蓝牙技术联盟(Bluetooth SIG)正式推出蓝牙4.0。蓝牙4.0是一个综合的协议,包括原来的Bluetooth H2.x + EDR(BR/EDR,经典蓝牙),Bluetooth H3.x +HS (AMP 高速蓝牙)和后面推出的BLE(低功耗蓝牙)。

由于蓝牙2.x和3.x底层不完全兼容,因此4.x又分为单模蓝牙和双模蓝牙,单模蓝牙只能4.x通信,双模的可以向下兼容1.2,2.x,3.x的蓝牙设备。

2013年底,蓝牙技术联盟(Bluetooth SIG)推出蓝牙4.1,主推Bluetooth Smart(单低功耗版本的蓝牙),让其成为物联网的核心。

2014年12月,蓝牙技术联盟(Bluetooth SIG)推出蓝牙4.2。

注:4.0的设备可以通过软件升级的方式支持到4.1和4.2。

5、物联网时代的新标准–蓝牙5.0

2016年6月,蓝牙技术联盟(Bluetooth SIG)推出蓝牙5.0。其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。

三、蓝牙协议与规范:

最为普遍的两种规格为蓝牙基础率/增强数据率 (BR/EDR)(采用版本为 2.0/2.1)和低耗能 (LE) 蓝牙(采用版本为 4.0/4.1/4.2),其应用环境如下:

  • 蓝牙 BR/EDR—可建立相对较短距离的持续无线连接,因此非常适用于流式音频等应用。
  • 蓝牙 LE—可建立短时间的长距离无线电连接,非常适用于无需持续连接但依赖电池具有较长寿命的的物联网 (IoT) 应用。
  • 双模—双模芯片可支持需要连接 BR/EDR 设备(例如音频耳机)以及 LE 设备(例如穿戴设备或零售信标)的单一设备(例如智能手机或平板电脑)。

尽管每项部署都有具体要求,但蓝牙核心系统结构有许多要素,包含:射频收发器、基带和协议栈,设备连接的支持和各类数据的交换。

蓝牙设备根据蓝牙规格协议交换信号,蓝牙规格详细定义了这些协议。其核心系统协议包括:射频 (RF) 协议、链路控制 (LC) 协议、链路管理器 (LM) 协议以及逻辑链路控制和适配协议 (L2CAP)。

最低的三个系统层:射频、链路控制和链路管理器协议通常被归属于称为蓝牙控制器的子系统(子系统分为三种,下述为常用配置),然后在子系统的上面,蓝牙协议规定一个主机控制器接口 (HCI)来进行子系统的协调和支持与蓝牙系统的其他设备(即蓝牙主机)进行双向通信。

主控制器适配的子系统可能是以下配置之一,具体取决于用例:

  • BR/EDR 控制器,包括射频、基带、链路管理器和可选 HCI。
  • LE 控制器,包括 LE PHY、链路层和可选 HCI。
  • BR/EDR 组合控制器和 LE 控制器,组合控制器共享一个蓝牙设备地址。

蓝牙规格通过定义等效层之间交换的协议信息来实现系统之间的互操作性。它还通过定义蓝牙控制器和蓝牙主机之间的公用接口来实现独立蓝牙子系统之间的互操作性。

五、总结:

蓝牙本身还是一个符合ISO/RM结构的协议,但是由于协议在发展过程中为了匹配不断变化的现状导致规格变化较大,因此协议又存在很多的复杂性的因素,关于蓝牙协议的详细说明及Android平台蓝牙的相关的内容,后续会更新。

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