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蓝牙5.0发布,速度范围双提升,将阻力智能硬件与物联网发展!

2016-06-12 10:22:47

蓝牙技术联盟近日宣布,将于本月16日在伦敦开会,正式发布蓝牙5.0标准 ,上一次蓝牙4.2是公布于2014年12月。

据悉,蓝牙5.0针对低功耗设备,有着更广的覆盖范围和相较现在四倍的速度提升 。

同时,蓝牙5.0会加入室内定位辅助功能 ,结合Wi-Fi可以实现精度小于1米的室内定位。

去年的台北电脑展,Marvell就展示了业内第一个28nm的低功耗combo方案Avastar 88W8897,在蓝牙BLEsnooze模式下只有66uA的电流,有望成为移动支付的重要技术支撑。

今年初,Wi-Fi联盟也宣布了802.11ah拓展标准“HaLow”,工作在未经授权的900MHz频段,号称低耗高能、覆盖更广,意欲替代蓝牙(物联网领域)。

最新蓝牙5.0来了,四倍速度提升!一起回顾最全蓝牙发展史!

很多了解蓝牙发展史的朋友都知道,自从2014年12月发布蓝牙4.2标准以来,时隔1年多,蓝牙技术联盟(Bluetooth Special Interest Group)于本周五透露新一代蓝牙标准5.0的官方发布日期—6月16日。蓝牙技术联盟的常务董事Mark Powell在邮件中表示新标准在传输速度上是最新蓝牙4.2版本的4倍,覆盖范围是其的2倍。

此外,蓝牙5还为广告传播带来了“值得关注的更大性能”,能够允许设备厂商来创建比Beacon或者基于地理位置服务的更复杂微妙的连接系统。援引外媒Ars Technica解释,通过蓝牙设备发送的广告数据包具备能够被其他蓝牙设备检测和解码的微型信息,哪怕这些设备都未完成配对。

例如,类似于Magic Mouse 2和Magic Trackpad等苹果周边通过扫描附近配件从而直接在Mac主机上进行现实。此外苹果还能使用Data Rich包来驱动Handoff和iBeacon技术。

据悉蓝牙5标准的最大特性之一,将是可以支持室内定位功能,若结合Wi-Fi技术,有机会可以实现精确度1米之内的定位,对于 大型卖场、百货公司,或是停车场等等的业者而言,将会带来莫大帮助,有助翻新人类熟悉的科技生活。

在对5.0有了基本的了解之后,我们对其到来抱有很大的期望。就此,我们想回顾一下蓝牙的发展史,让大家对这个覆盖范围广泛的无线技术有一个全面的了解:

什么是蓝牙

蓝牙技术是一种尖端的开放式无线通讯标准,能够在短距离范围内无线连接桌上型电脑与笔记本电脑、便携设备、PDA、移动电话、拍照手机、打印机、数码相机、耳麦、键盘甚至是电脑鼠标。

利用“蓝牙”技术,能够有效地简化移动通信终端设备之间的通信,也能够简化设备与因特网Internet之间的通信,从而数据传输变得更加迅速高效。

蓝牙采用分散式网络结构以及快跳频和短包技术,支持点对点及点对多点通信,工作在全球通用的2.4GHz ISM(即工业、科学、医学)频段。其数据速率为1Mbps。采用时分双工传输方案实现全双工传输。

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)

和选用协议层(PPP、TCP、IP、UDP、OBEX、IrMC、WAP、WAE)

简言之,蓝牙技术让各种数码设备之间能够无线沟通,让散落各种连线的桌面成为历史。有了蓝牙无线技术,你就可以轻松连接你的电脑和便携设备、移动电话以及其它外围设备――在 9 米(30英尺)距离之内以无线方式彼此连接。

相比于其他无线技术:红外、无线2.4G、WiFi来说,蓝牙具有加密措施完善,传输过程稳定以及兼容设备丰富等诸多优点。尤其是在授权门槛逐渐降低的今天,蓝牙技术开始真正普及到所有的数码设备。不过,蓝牙这一路走来也并非完美,从1.0到4.2,再到现在的5.0,是一个不平凡的过程。

蓝牙名字的来源

这要源于一个小故事。

公元940-985年,哈洛德.布美塔特(Harald Blatand),后人称Harald Bluetooth,统一了整个丹麦。他的名字“Blatand”可能取自两个古老的丹麦词语。“bla”意思是黑皮肤的,而“tan”是伟人的含义。和许多君王一样 ,哈洛德四 处扩张,为政治、经济和荣誉而征战。公元960年哈洛德到达了他权力的最高点,征服了整个丹麦和挪威。而蓝牙是这个丹麦国王Viking的“绰号”,因为他爱吃蓝梅,牙齿被染蓝,因此而得这一“绰号”。

在行业协会筹备阶段,需要一个极具有表现力的名字来命名这项高新技术。行业组织人员,在经过一夜关于欧洲历史和未来无线技术发展的讨论后,有些人认为用Blatand国王的名字命名再合适不过了。Blatand国王将挪威,瑞典和丹麦统一起来;他的口齿伶俐,善于交际,就如同这项即将面世的技术,技术将被定义为允许不同工业领域之间的协调工作,保持着各个系统领域之间的良好交流,例如计算机,手机和汽车行业之间的工作。

为什么要推出蓝牙?

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。

研究的目的是要找到一种方法,能够除掉连接移动电话和PC卡、耳机、台式电脑及其他设备之间的电缆。此项研究是一个大项目的一部分,该项目是要研究如何将各种不同的通信设备通过移动电话接入到蜂窝网上。公司得出结论,这种连接的最后一段应该是短距离的无线连接。随着项目的进展,日益明朗化的是短距离无线通信的应用范围几乎无限广阔。

1997年,爱立信公司借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,爱立信、诺基亚、东芝、IBM和英特尔公司等五家著名厂商,在联合开展短程无线通信技术的标准化活动时提出了蓝牙技术。

1999年5月20日,这五家厂商成立了蓝牙“特别兴趣组”(Special Interest Group,SIG),即蓝牙技术联盟的前身,以使蓝牙技术能够成为未来的无线通信标准。芯片霸主Intel公司负责半导体芯片和传输软件的开发,爱立信负责无线射频和移动电话软件的开发,IBM和东芝负责笔记本电脑接口规格的开发。

1999年下半年,著名的业界巨头微软、摩托罗拉、三星、朗讯与蓝牙特别小组的五家公司共同发起成立了蓝牙技术推广组织,从而在全球范围内掀起了一股“蓝牙”热潮。全球业界即将开发一大批蓝牙技术的应用产品,使蓝牙技术呈现出极其广阔的市场前景,并预示着21世纪初将迎来波澜壮阔的全球无线通信浪潮。

到2000年4月,SIG的成员数已超过1500,其成长速度超过任何其他的无线联盟。这些公司联合开发了蓝牙1.0标准,并于1999年7月公布。蓝牙标准包括两个文件:

基础核心协议——提供设计标准;

基础应用规范——提供互操作性准则。

核心协议文件描述了射频、基带、链路管理器、业务发现协议、传输层以及与其他协议的互操作性等内容;应用规范文件描述了各种不同类型的蓝牙应用所要求的协议和过程。

2006年10月13日,Bluetooth SIG(蓝牙技术联盟)宣布联想公司取代IBM在该组织中的创始成员位置,并立即生效。通过成为创始成员,联想将与其他业界领导厂商杰尔系统公司、爱立信公司、英特尔公司、微软公司、摩托罗拉公司、诺基亚公司和东芝公司一样拥有蓝牙技术联盟董事会中的一席,并积极推动蓝牙标准的发展。

除了创始成员以外,Bluetooth SIG还包括200多家联盟成员公司以及约6000家应用成员企业。而企业只要使用“蓝牙(Bluetooth)”相关商标在市场上销售产品,都必须向蓝牙技术联盟交纳商标使用费和产品认证费。

2008年,蓝牙技术联盟准备新设立一个“初级应用成员公司”的会员级别,如果是年营业额小于300万美元的中小企业,入会费为零,认证两款蓝牙产品的费用降至2500美元。

蓝牙的版本演进

在5.0之前,蓝牙经过了多个版本的演进,主要为为1.1、1.2、2.0、2.1、3.0、4.0、4.1和4.2,下文我们将就每一个不同的版本技术特点进行详细介绍:

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上表中:EDR:全称为Enhanced Data Rate。通过提高多任务处理和多种蓝牙设备同时运行的能力,EDR使得蓝牙设备的传输速度可达3Mbps。

HS:全称为High Speed。HS使得Bluetooth能利用WiFi作为传输方式进行数据传输,其支持的传输速度最高可达24Mbps。其核心是在802.11的基础上,通过集成802.11协议适配层,使得蓝牙协议栈可以根据任务和设备的不同,选择正确的射频。

BLE:全称为Bluetooth Low Energy。蓝牙规范4.0最重要的一个特性就是低功耗。BLE使得蓝牙设备可通过一粒纽扣电池供电以维持续工作数年之久。很明显,BLE使得蓝牙设备在钟表、远程控制、医疗保健及运动感应器等市场具有极光明的应用场景。

蓝牙1.1标准

1.1 为最早期版本,传输率约在748~810kb/s,因是早期设计,容易受到同频率之产品所干扰下影响通讯质量。

蓝牙1.2标准

1.2 同样是只有 748~810kb/s 的传输率,但在加上了(改善 Software)抗干扰跳频功能。

这个版本向下兼容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

蓝牙2.0标准

2.0 是 1.2 的改良提升版,传输率约在 1.8M/s~2.1M/s,开始支持双工模式——即一面作语音通讯,同时亦可以传输档案/高质素图片,2.0 版本当然也支持 Stereo 运作。

应用最为广泛的是Bluetooth 2.0+EDR标准,该标准在2004年已经推出,支持Bluetooth 2.0+EDR标准的产品也于2006年大量出现。

虽然Bluetooth 2.0+EDR标准在技术上作了大量的改进,但从1.X标准延续下来的配置流程复杂和设备功耗较大的问题依然存在。

2.0版的内容还没有什么明确的信息,但爱立信的研究者公布了一些内容:

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(实际测试速度为280KB/s=2240Kbps[来源请求])

支持多个速度水平

蓝牙2.1标准

2007年8月2日,蓝牙技术联盟今天正式批准了蓝牙2.1版规范,即“蓝牙2.1+EDR”,可供未来的设备自由使用。和2.0版本同时代产品,目前仍然占据蓝牙市场较大份额,相对2.0版本主要是提高了待机时间2倍以上,技术标准没有根本性变化。

蓝牙核心规范2.1+EDR向下对1.2版本完全兼容,蓝牙技术联盟于2007年7月26日通过。

蓝牙2.1,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

蓝牙3.0标准

2009年4月21日,蓝牙技术联盟(Bluetooth SIG)正式颁布了新一代标准规范“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。

更高的数据传输速率,集成802.11PAL最高速度可达24Mbps。是2.0速度的8倍。

引入了增强电源控制,实际空闲功耗明显降低。

蓝牙4.0标准

蓝牙4.0规范于2010年7月7日正式发布,新版本的最大意义在于低功耗,同时加强不同OEM厂商之间的设备兼容性,并且降低延迟,理论最高 传输速度依然为24Mbps(即3MB/s),有效覆盖范围扩大到100米(之前的版本为10米)。该标准芯片被大量的手机、平板所采用,如苹果The New iPad平板电脑,以及苹果iPhone 5、魅族MX4、HTC One X等手机上带有蓝牙4.0功能。

蓝牙4.0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;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;针对一对一连接最优化,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。

蓝牙4.1标准

蓝牙4.1于2013年12月6日发布,与LTE无线电信号之间如果同时传输数据,那么蓝牙4.1可以自动协调两者的传输信息,理论上可以减少 其它信号对蓝牙4.1的干扰。改进是提升了连接速度并且更加智能化,比如减少了设备之间重新连接的时间,意味着用户如果走出了蓝牙4.1的信号范围并且断 开连接的时间不算很长,当用户再次回到信号范围中之后设备将自动连接,反应时间要比蓝牙4.0更短。最后一个改进之处是提高传输效率,如果用户连接的设备 非常多,比如连接了多部可穿戴设备,彼此之间的信息都能即时发送到接接收设备上。

除此之外,蓝牙4.1也为开发人员增加了更多的灵活性,这个改变对普通用户没有很大影响,但是对于软件开发者来说是很重要的,因为为了应对逐渐兴起的可穿戴设备,那么蓝牙必须能够支持同时连接多部设备。

蓝牙4.2标准

2014年12月4日,最新的蓝牙4.2标准颁布,改善了数据传输速度和隐私保护程度,并接入了该设备将可直接通过IPv6和6LoWPAN接入互联网。在新的标准下蓝牙信号想要连接或者追踪用户设备必须经过用户许可,否则蓝牙信号将无法连接和追踪用户设备。

速度方面变得更加快速,两部蓝牙设备之间的数据传输速度提高了2.5倍,因为蓝牙智能(Bluetooth Smart)数据包的容量提高,其可容纳的数据量相当于此前的10倍左右。

特别说明:低功耗蓝牙

蓝牙4.0将三种规格集一体,包括传统蓝牙技术,高速技术和低功耗技术,与3.0版本相比最大的不同就是低功耗。“4.0版本的功耗较老版本降低了90%,更省电,”随着蓝牙技术由手机、游戏、耳机、便携电脑和汽车传统应用领域向物联网、医疗新领域的扩展,对低功耗的要求会越来越高,4.0版本强化了蓝牙在数据传输上的低功耗性能。

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低功耗蓝牙为何如此省电?它和经典蓝牙技术相比,主要的改变几种体现在待机功耗的减少,高速链接的实现和峰值功率的降低三个方面。

待机功耗的下降

传统蓝牙设备的待机耗电量大一直是为人所抠病的缺陷之一,这与传统蓝牙技术动测采用16~32个频道进行广播不无关系,而低功耗蓝牙仅使用了3个广播通道,且每次广播时射频的开启时间也由传统的22.5ms减少到0.6~1.2ms,这两个协议规范上的改变显然大大降低了因为广播数据导致的待机功耗;此外低功耗蓝牙设计了用深度睡眠状态来替换蓝牙的空闲状态,在深度睡眠状态下,主机长时间处于超低的负载循环(DutyCycle)状态,只在需要运作时由控制器来启动,因主机较控制器消耗更多的能源,因此这样的设计也节省了最多的能源;在深度睡眠状态下,协议也针对此通讯模式进行了优化,数据发送间隔时间也增加到了0.5~4s,传感器类应用程序发送的数据量较平常少很多,而且所有连接均采用先进的嗅探性次额定(Sn if f-Subrating)功能模式,因此此时的射频能耗几乎可以忽略不计,综合以上因素,低功耗蓝牙的待机功耗较传统蓝牙大大减少。

高速连接的实现

要明白这一过程,我们必须先介绍一下蓝牙设备和主机设备的连接步骤。

第一步:通过扫描,试图发现新设备

第二步:确认发现的设备没有而已软件,也没有处于锁定状态

第三步:发送IP地址

第四步:收到并解读待配对设备发送过来的数据

第五步:建立并保存连接

按照传统的蓝牙协议规范,若某一蓝牙设备正在进行广播,则它不会响应当前正在进行的设备扫描,而低功耗蓝牙协议规范允许正在进行广播的设备连接到正在扫描的设备上,这就有效避免了重复扫描,而通过对连接机制的改善,低功耗蓝牙下的设备连接建立过程可控制在3ms内完成,同时能以应用程序迅速启动连接器,并以数毫秒的传输速度完成经认可的数据传递后并立即关闭连接,而传统蓝牙协议下即使只是建立链路层连接都需要花费100ms,建立L2CAP(逻辑链路控制与适应协议)层的连接建立时间则更长。

蓝牙低功耗协议还对拓扑结构进行了优化,通过在每个从设备及每个数据包上使用32位的存取地址,能够让数十亿个设备能被同时连接,此技术不但将传统蓝牙一对一的连接优化,同时也利用星状拓扑来完成一对多点的连接,在连接和断线切换迅速的应用场景下,数据能够在网状拓扑之间移动,但不至于为了维持此网络而显得过于复杂,这也有效减轻了连接复杂性,减少了连接建立时间。

降低峰值功率

低功耗蓝牙对数据包长度进行了更加严格的定义,支持超短(8~27Byte)数据封包,并使用了随机射频参数和增加了GSFK调制索引,这些措施最大限度地减少了数据收发的复杂性;此外低功耗蓝牙还通过增加调变指数,并采用24位的CRC确保封包在受干扰时具有更大的稳定度,低功耗蓝牙的射程增加至100m以上,以上措施结合蓝牙传统的跳频原理,有效降低了峰值功率。

蓝牙2016年技术蓝图

蓝牙联盟在2016 的主要方针集中在以蓝牙低功耗为首的物联网布局,主要有三大方向,包括使蓝牙低功耗的传输距离强化四倍、传统蓝牙传输提升到2Mbit/s ,以及支援物联网产业期待已久的蓝牙Mesh (网状网络)。

其中延伸蓝牙低功耗以及支援蓝牙Mesh 对于物联网都是相当重大的布局,使距离延伸的优点在于对自动化、工业控制、智慧家庭等应用的因为距离延伸变得更实用,至于支援Mesh 最大的优点就是使蓝牙设备与终端不再仅有点对点以及延伸模式,而是使各蓝牙装置之间可彼此相连,同时也可借此网路模式延伸蓝牙管理的距离。

而提升100% 的传输速度,不仅只是增加频宽,同时使蓝牙也能用于重视延迟的应用,例如医疗设备等领域,可藉由今年蓝牙新标准的颁布得以使资讯传输以及管理更及时。

除了物联网以及用于连接装置等应用外,蓝牙技术也在近年有更多的的应用,尤其是Beacon 技术正在改变定位与服务,藉由Beacon 技术取代条码,使用者可轻松的获取相关资讯,且同时也能藉由蓝牙技术进行室内的定位服务,能用于百货或是车站的室内导航,百货商品业者的找寻柜位等应用;另外就是透过距离的拓展以及即将导入的Mesh ,蓝牙也预期可为自动化解决方案带来更多的变化以及弹性。

在上述的新发展目标之外,蓝牙联盟也在三月公布了一项新的技术TDS ( Transport Discovery Service ),这项技术中文称为传输发现技术,透过蓝芽搜寻与启动范围内的可用无线链路,借此侦测附近无线装置与服务,并且使使用者可以关闭装置中功耗较高的技术,并于需要时再开启,蓝牙联盟希望借此技术能够在物联网的环境中使能源管理更好。

 

关于:中科研拓

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