藍牙低功耗

藍牙低功耗（Bluetooth Low Energy，或稱Bluetooth LE、BLE，舊商標Bluetooth Smart）也稱藍牙低能耗、低功耗藍牙，是藍牙技術聯盟設計和銷售的一種個人區域網絡技術，旨在用於醫療保健、運動健身、信標、安防、家庭娛樂等領域的新興應用。相較經典藍牙，低功耗藍牙旨在保持同等通信範圍的同時顯著降低功耗和成本。

包括iOS、Android、Windows Phone和BlackBerry在內的大多數行動作業系統，以及macOS、Linux、Windows 8與Windows 10等在內的桌面作業系統，均已原生支持低功耗藍牙。藍牙技術聯盟（SIG）預測，到2018年超過90%有藍牙的智慧型手機將支持低功耗藍牙。

## 兼容性

低功耗藍牙不能向後兼容原有的藍牙協議（下文稱經典藍牙）。藍牙4.0 規範允許設備同時支持經典與低功耗藍牙協議。

低功耗藍牙與經典藍牙使用相同的2.4 GHz無線電頻率，因此雙模設備可以共享同一個天線。低功耗藍牙使用的調變系統更簡單。

## 品牌

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2011年，藍牙技術聯盟（SIG）發表了「藍牙智能」徽標，體現低功耗設備與藍牙設備的兼容性。

- 具有「藍牙智能就緒」（Bluetooth Smart Ready）標識的外設兼容經典藍牙與低功耗藍牙的雙模。
- 具有「藍牙智能」（Bluetooth Smart）標識的設備僅支持低功耗藍牙，可以與「藍牙智能就緒」或「藍牙智能」設備通信。

根據2016年5月藍牙技術聯盟的品牌資訊，藍牙技術聯盟開始逐步停用「藍牙智能」和「藍牙智能就緒」標識，恢復使用「Bluetooth」圖案標誌和文字標識。標誌使用新款藍色。

## 目標市場

藍牙技術聯盟的低功耗技術瞄準多個市場，特別是智能家庭、健康、運動健身部分。主要的優點包括：

- 低功耗，使用紐扣電池就可運行數月至數年
- 小體積、低成本
- 與現有的大部分手機、平板電腦和電腦兼容

## 歷史

2001年，諾基亞確定了當時多個未明確的無線技術方案。該公司著手研發一種基於藍牙標準的無線技術，目標是在降低功耗和成本的同時最小化與現有藍牙技術的差別。在2004年諾基亞以「藍牙低端擴展」（Bluetooth Low End Extension）為名將此技術發表。

得益於羅技等合作夥伴在歐盟FP6的 MIMOSA項目中的合作和意法半導體一貫的推進和支持，該技術在2006年10月以品牌名稱Wibree公開發布。2007年6月，諾基亞與藍牙技術聯盟成員協商達成一致，Wibree被納入未來的藍牙規範，作為一種超低功耗的藍牙技術，併名為「藍牙低功耗」。

將藍牙低功耗整合到藍牙核心技術規範的工作完成於2010年的藍牙4.0版本。首款實現4.0規範的智慧型手機iPhone 4S發布於2011年10月。其餘很多製造商在2012年也發布了「藍牙智能就緒」的設備。

藍牙技術聯盟於2016年6月16日在倫敦舉行的媒體活動上正式推出藍牙5（Bluetooth 5）。出於一個品牌營銷的考量，小數點被取消了，這一決定據稱是為了「簡化營銷、更有效地向使用者傳達益處」。在技術方面，藍牙5通過增加發射功率或編碼物理層的方式將覆蓋距離擴大到了4倍，可選的2倍符號速率特性可以使傳輸速率加倍，通過增加廣播數據的長度使數據廣播容量增加到8倍，主要應對需要連接整棟房屋的物聯網應用。

藍牙技術聯盟在2017年7月18日正式發布了Mesh Profile和Mesh Model規範。使藍牙低功耗支持家庭自動化、傳感器網路等場景的多對多通信。

## 應用

藍牙技術聯盟沿用經典藍牙的規範內容，為藍牙低功耗定義了一些profile，這些profile定義了一個設備在特定應用情景下如何工作。製造商應通過在實現中遵循特定的profile以確保兼容性。一台設備可以使用多個profile。

當前所有低功耗應用profile都基於通用屬性規範（GATT）。GATT定義了屬性，作為通用的封裝數據的單位，並定義了如何通過藍牙連接傳輸屬性從而達到傳輸數據的目的。藍牙4.0能夠提供低功耗的較高比特率傳輸。

2014年，CSR（現屬高通一部分）發布了CSR Mesh協議。CSR Mesh中各設備使用藍牙低功耗進行通信。各設備能夠為其他設備轉發消息，從而實現網格效應。舉例來說，藉助網格的通信能力，使用一台智慧型手機就可以關掉整棟建築的燈光。藍牙技術聯盟已經成立了智能網格（Smart Mesh）研究組，研究並定義用例，納入到標準規範中。

### 健康護理規範

「藍牙低功耗」設備在醫療領域中有許多規範。康體佳健康聯盟促進了他們與藍牙技術聯盟的合作。

- BLP（Blood Pressure Profile）— 用於血壓測量。
- HTP（Health Thermometer Profile）— 用於醫療溫度測量設備。
- GLP（Glucose Profile）— 用於血糖監測。
- CGMP（Continuous Glucose Monitor Profile）

### 運動和健身規範

運動和健身規範包括：

- BCS（Body Composition Service）
- CSCP（Cycling Speed and Cadence Profile）— 用於連接到自行車或健身單車傳感器，測量節奏和輪速
- CPP（Cycling Power Profile）
- HRP（心率規範）
- LNP（位置和導航規範）
- RSCP（Running Speed and Cadence Profile）
- WSP（Weight Scale Profile）

### 網際網路連接

- IPSP（網際網路協議支持規範）

### 通用傳感器

- ESP（環境感應規範）
- UDS（使用者數據服務）

### HID連接

- HOGP（HID通過GATT規範）使藍牙低功耗的無線滑鼠、鍵盤或其他設備可獲得持久的電池續航時間。

### 接近感應

「Electronic leash」非常適合為「始終開啟」的設備儘可能延長電池壽命。iBeacon設備的製造商為其設備實現了相應規範，確保與蘋果公司設備的接近感應功能兼容。

有關的應用程式規範包括：

- FMP — 「查找我」規範 — 允許使用另一個設備讓一個設備發出提醒。
- PXP — 接近度規範 — 允許接近感應器檢測接近報告器是否在附近。物理接近度可以使用無線電接收器的RSSI值估算，儘管這不是經過絕對校準的距離。一種典型設計是，設備之間的距離超過設定閾值時發出提醒。

### 提醒和時間規範

- 手機提醒狀態規範和提醒通知規範允許客戶端設備接收通知，例如另一台設備發來的來電通知。
- 時間規範允許客戶端設備設置採用伺服器設備的當前時間和時區資訊，例如手錶與手機之間的網路時間。

### 電池

- 電池服務（Battery Service）報告「電池狀態」和設備中單個電池或電池組的電量級別。

### 2019冠狀病毒病監視

在疫情期間，大多數地方的接觸者追蹤手機應用都使用了藍牙低功耗技術，包括中國大陸的通信大數據行程卡、臺灣的社交距離App、新加坡的合力追蹤、日本的COCOA等。香港的安心出行也計劃添加基於藍牙的接觸者追蹤功能。

## 實現

### 晶片組

從2009年年底開始，多家製造商已宣布實現藍牙低功耗積體電路。實現通常採用軟體無線電，以便可以用固件升級實現更新標準。

### 硬體

當今的行動裝置通常發布同時支持「經典藍牙」和「低功耗藍牙」標準的硬體和軟體。藍牙技術聯盟 維護有一個設備列表。

### 作業系統

- iOS 5及更高版本
- Windows Phone 8.1
- Windows 8及更高版本
- Android 4.3及更高版本
- BlackBerry 10
- Linux 3.4及更高版本，通過BlueZ 5.0
- Unison OS 5.2

## 技術細節

### 無線電接口

「藍牙低功耗」技術採用與「經典藍牙」技術相同的工作頻率（2.400 GHz-2.4835 GHz - ISM頻帶），但使用另一組信道。不同於經典藍牙的79 1-MHz信道，藍牙低功耗使用40 2-MHz信道。在一個信道內，數據使用高斯頻移調製傳輸，類似經典藍牙的基本速率方案；比特率1Mbit/s，最大發射功率10 mW。進一步細節描述在 藍牙核心規格V4.0 的Volume 6 - Part A（物理層規範）。

藍牙低功耗使用跳頻擴頻抵抗窄帶干擾問題。經典藍牙也使用跳頻擴展，但細節有所不同；因此，FCC和ETSI將藍牙技術分類為一個FHSS方案，藍牙低功耗被分類為一個數字調製技術或直接序列擴頻。

技術標準｜經典藍牙技術｜藍牙低功耗技術

距離/範圍（理論最大值）｜100m｜>100米（>330英尺）

空中數據速率｜1–3 Mbit/s｜125 kbit/s – 1 Mbit/s – 2 Mbit/s

應用程式吞吐量｜0.7–2.1 Mbit/s｜0.27 Mbit/s

活躍連接｜7｜未定義；取決於實現

安全性｜56/128位，以及應用層使用者定義｜使用Counter Mode CBC-MAC的128位AES，以及應用層使用者定義

健壯性｜自適應快速跳頻擴展，FEC，快速ACK｜自適應跳頻擴展，Lazy確認，24位CRC，32位消息完整性檢查

潛伏時間（從非連接狀態）｜典型100 ms｜6 ms

發送數據的最小總時間（影響續航時間）｜100 ms｜3 ms

語音能力｜是｜否

網路拓撲｜Scatternet｜Scatternet

功耗｜參考值1 W｜0.01至0.5 W（取決於使用情況）

峰值電流消耗｜<30 mA｜<15 mA

服務發現｜是｜是

規範概念｜是｜是

主要用途｜行動電話、遊戲、耳機、立體聲音頻流、智能家居、可穿戴設備、汽車、個人電腦、安防、接近傳感、醫療保健、運動健身等。｜行動電話、遊戲、耳機、立體聲音頻流、智能家居、可穿戴設備、汽車、個人電腦、安防、接近傳感、醫療保健、運動健身、工業等。

更多技術細節見藍牙技術聯盟官方發布的規範。請注意，功耗不是藍牙規範的一部分。

### 宣告與發現

藍牙低功耗設備通過廣播宣告（advertising）封包的方式被發現。為減少干擾，這使用3個獨立信道（頻率）完成。宣告設備在這三個頻道中的至少一個上發送封包，發送周期被稱為宣告間隔。為減少多次連續衝突的機率，每個宣告時間間隔都會增加一個最長10毫秒的隨機延遲。掃描器則在掃描窗口時對信道進行監聽，掃描周期性重複。

因此，發現設備的等待時間存在機率性，取決於三個參數（宣告間隔、掃描間隔和掃描窗口）。藍牙低功耗的發現方案採用了周期性間隔技術，for which upper bounds on the discovery latency can be inferred for most parametrizations. While the discovery latencies of BLE can be approximated by models for purely periodic interval-based protocols, the random delay added to each advertising interval and the three-channel discovery can cause deviations from these predictions, or potentially lead to unbounded latencies for certain parametrizations。

### 軟體模型

所有藍牙低功耗設備使用「通用屬性規範」（GATT）。藍牙低功耗提供該應用程式接口了解到作業系統通常基於GATT概念。GATT具有以下術語：

客戶端：一個發出GATT命令和請求的設備，然後接受響應。例如一個電腦或智慧型手機。

伺服器：一個接受GATT命令和請求的設備，然後返迴響應。例如一個溫度傳感器。

特徵：在客戶端與伺服器間傳遞的數據值，例如當前的電池電壓。

服務：有關特徵的收集，具有一系列操作來執行特定功能。例如，「體溫計」服務包括一個溫度測量值，以及測量的時間間隔。

描述符：描述符提供有關特徵的其他資訊。例如指示一個溫度值特徵的單位（如攝氏度），以及傳感器可以測量的最大值和最小值。描述符是可選的——每個特徵可以有任何數量的描述符。

某些服務和特徵用於管理目的——例如，「通用訪問」服務中的型號名稱和序列號可作為標準特徵讀取。服務還可包含其他服務作為子功能；設備的主要功能被稱為主（primary）服務，而附加功能被稱為次（secondary）服務。

#### 標識符

服務、特徵和描述符被統稱為屬性（attributes），並以UUID標識。實現者可能會為所用的專有格式挑選一個隨機或偽隨機UUID，但藍牙技術聯盟已預留一系列UUID（範圍xxxxxxxx-0000-1000-8000-00805F9B34FB））供標準屬性使用。為提高效率，協議中的標識符以16位或32位值表示，而非完整UUID所需的128位。例如，設備資訊（Device Information）服務採用短碼0x180A而非0000180A-0000-1000-...。完整列表見 藍牙分配號碼在線文檔。

#### GATT操作

GATT協議提供了大量用於客戶端的命令以發現有關伺服器的資訊。這包括：

- 發現所有主要服務的UUID
- 使用指定UUID查找一個服務
- 查找指定主服務的輔助服務
- 發現指定服務的所有特徵
- 查找匹配指定UUID的特徵
- 讀取特定特徵的所有描述符

除此之外，也提供讀（從伺服器傳輸到客戶端）和寫（客戶端傳給伺服器）特徵值的命令：

- 可以指定特徵的UUID或句柄（handle）值（由上面的發現命令返回）來讀取值。
- 寫操作始終需要以句柄來標識特徵，但可選是否需要伺服器返迴響應。
- 長讀（Long read）和長取（Long write）可以在特徵的數據長度超過無線鏈路的最大傳輸單元（MTU）時使用。

最後，GATT有提供通知（notifications）和指示（indications）。客戶端可以請求伺服器通知一項特徵。伺服器可以在其變為可用時將該值發送給客戶端。例如，溫度傳感器的伺服器可以在每次測量時通知其客戶端。這得以避免客戶端輪詢伺服器，造成伺服器的無線電路保持運行。

指示（indication）與通知類似，不同之處是它需要客戶端響應已收到該消息。

#### 電池影響

讀取（伺服器到客戶端）和寫入（客戶端到伺服器）特徵值的命令也已提供：

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藍牙低功耗的設計使更低功耗的設備成為了可能。包括CSR、Dialog Semiconductor、Nordic Semiconductor、意法半導體、Cypress Semiconductor和德州儀器在內的數家晶片製造商都推出了其為藍牙低功耗優化的晶片組。外圍設備與中央設備有著不同的功耗要求。據信標軟體公司Aislelabs的一項研究顯示，諸如接近信標等外圍設備通常使用一枚1000毫安時的紐扣電池工作1-2年。

相比之下，連續掃描中央設備的同類信標可能在幾小時內就消耗1000毫安時。在Android和iOS設備上，電池續航時間可能存在一些差異，具體取決於掃描類型和附近的藍牙低功耗設備的數量隨著晶片組和軟體的不斷進步，目前智慧型手機所使用的藍牙低功耗帶來的功耗已可以忽略不計。

#### 拓展閱讀

GATT在 藍牙4.0核心規格 的Volume 3 - Part G有完整描述。