蓝牙技术

**藍牙**（英語：**Bluetooth**），一種無線通訊技術標準，用來讓固定與行動裝置，在短距離間交換資料，以形成個人區域網路（PAN）。其使用短波特高頻（UHF）無線電波，經由 2.4 至 2.485 GHz 的 ISM 頻段來進行通訊。1994 年由電信商愛利信（Ericsson）發展出這個技術。它最初的設計是希望建立一個 RS-232 數據線的無線通訊替代版本。它能夠連結多個裝置，以克服同步的問題。

藍牙技術目前由藍牙技術聯盟（SIG）來負責維護其技術標準，其成員已超過三萬，分布在電信、電腦、網路與消費性電子產品等領域。IEEE 曾經將藍牙技術標準化為 IEEE 802.15.1，但是這個標準已經不再繼續使用。

## 名稱與標識

「Bluetooth」一詞是斯堪地那維亞語言詞彙 Blåtand/Blåtann 的英語化。這個詞的來源是 10 世紀丹麥和挪威國王藍牙哈拉爾（丹麥語：Harald Blåtand Gormsen），借國王的綽號「Blåtand」當名稱，直接翻譯成中文爲「藍牙」（blå＝藍，tand＝牙）。原本台灣翻譯為「藍芽」，但 2006 年時，藍牙技術聯盟組織已將全球中文譯名統一改採直譯為「藍牙」，並註冊為該組織的註冊商標。

藍牙哈拉爾曾統一了因宗教戰爭和領土爭議而分裂的挪威和丹麥，因此藍牙技術的研發小組以其名號期許新技術能整合各大資通品牌的標準。藍牙的標誌是盧恩字母 （Hagall，ᚼ）和 （Bjarkan，ᛒ）的組合，也就是 Harald Blåtand 的首字母 HB 的合寫。

## 歷史

### 創製

藍牙技術最初由愛利信創製。技術始於愛利信公司的 1994 方案，它是研究在移動電話和其他配件間進行低功耗、低成本無線通訊連接的方法。發明者希望為裝置間的通訊創造一組統一規則（標準化協定），以解決使用者間互不相容的移動電子裝置。1997 年前愛利信公司以此概念接觸了行動裝置製造商，討論其專案合作發展，結果獲得支援。

1998 年 5 月 20 日，索尼愛利信、國際商業機器、英特爾、諾基亞及東芝公司等業界龍頭創立「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。

1998 年時藍牙推出 0.7 規格，支援 Baseband 與 LMP（Link Manager Protocol）通訊協定兩部份。1999 年推出先後 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）協定、TCS（Telephony Control Specification）協定。1999 年 7 月 26 日正式公布 1.0 版，確定使用 2.4GHz 頻譜，最高資料傳輸速度 1Mbps，同時開始了大規模宣傳。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介面對介面的連接，所有藍牙裝置基本上只要在有效通訊範圍內使用，就可以進行隨時連接。

當 1.0 規格推出以後，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裝置種類少，藍牙裝置也十分昂貴。2001 年的 1.1 版正式列入 IEEE 標準，Bluetooth 1.1 即為 IEEE 802.15.1。同年，SIG 成員公司超過 2000 家。過了幾年之後，採用藍牙技術的電子裝置如雨後春筍般增加，售價也大幅下降。為了擴寬藍牙的應用層面和傳輸速度，SIG 先後推出了 1.2、2.0 版，以及其他附加新功能，例如 EDR（Enhanced Data Rate，配合 2.0 的技術標準，將最大傳輸速度提高到 3Mbps）、A2DP（Advanced Audio Distribution Profile，一個控音軌分配技術，主要應用於立體聲耳機）、AVRCP（A/V Remote Control Profile）等。Bluetooth 2.0 將傳輸率提升至 2Mbps、3Mbps，遠大於 1.x 版的 1Mbps（實際約 723.2kbps）。

### 發展

藍牙用於在不同的裝置之間進行無線連接，例如連接電腦和外圍裝置，如：印表機、鍵盤等，又或讓個人數位助理（PDA）與其它附近的 PDA 或電腦進行通訊。具備藍牙技術的手機可以連接到電腦、PDA 甚至連接到免持聽筒。

事實上，根據已訂立的標準，藍牙可以支援功能更強的長距離通訊，用以構成無線區域網路。每個 Bluetooth 裝置可同時維護 8 個連接。可以將每個裝置組態為不斷向附近的裝置聲明其存在以便建立連接。另外也可以對二個裝置之間的連接進行密碼保護，以防止被其他裝置接收。

藍牙的標準是 IEEE 802.15.1，藍牙協定工作在無需許可的 ISM（Industrial Scientific Medical）波段的 2.45GHz。最高速度可達 723.1kb/s。為了避免干擾可能使用 2.45GHz 的其它協定，藍牙協定將該波段劃分成 79 個頻道，（頻寬為 1MHz）每秒的頻道轉換可達 1600 次。

## 原理和應用

### 工作方式

藍牙技術分為基礎率 / 增強資料率（BR/EDR）和低耗能（LE）兩種技術類型。其中 BR/EDR 型是以對等網路拓撲結構建立一對一裝置通訊；LE 型則使用對等（一對一）、廣播（一對多）和網格（多對多）等多種網路拓撲結構。

### 應用

藍牙技術已經應用到超過 3 萬個聯盟技術成員的 82 億件產品之中。依靠藍牙支援，電腦或 PDA 能通過手機的數據機實現撥號上網。可以在一定距離內架設電腦間的無線網路或數個乙太網路之間的無線橋架。藍牙裝置之間可以傳輸檔案。

其它的例子還有：

* 傳統有線裝置的無線化，如：醫用器材、GPS、條形碼掃描器、交管裝置、藍牙無線麥克風收發機：具有發送端與接收端，發送端提供 3-pin XLR 接頭，可連接麥克風發射訊號，接收端提供 3.5mm 接頭 / 6.3mm 接頭，可直接插在揚聲器或擴大機上，彼此之間使用藍牙傳輸。
* 凱迪拉克 XTS 豪華轎車上所搭載的 CUE 移動互聯體驗系統的藍牙接入功能，最多可支援 10 組藍牙配對，包括智慧型手機、平板電腦和多媒體播放器等。車主可以通過藍牙配對，將這些可攜式裝置中的資訊與 CUE 系統實現共享。比如，可以讀取手機中的通訊錄，通過 CUE 系統的人聲辨識功能直接進行語音撥叫；可以讀取手機或多媒體播放器中的音樂檔案，通過 CUE 系統在車內音響中播放，並在 CUE 系統的顯示器上顯示曲目名、歌詞和專輯封面圖像等。

## 規格和功能

### 第一代

早期的 1.0 和 1.0B 版本存在多個問題，多家廠商指出他們的產品互不相容。同時，在兩個裝置「連結」（handshaking）的過程中，藍牙硬體的位址（BD\_ADDR）會被傳送出去，在協定的層面上不能做到匿名，造成洩漏資料的危險，令一些使用者卻步。

藍牙 1.2 版本可以向下相容 1.1 版，其主要改進包括：

* _匿名方式_：封鎖裝置的硬體位址（BD\_ADDR），保護使用者免受身分嗅探攻擊和跟蹤。從 1.1 版開始已經可以實現硬體匿名，但未被實施，因此對普通消費者來說還是沒有此功能。
* _自適應頻率跳躍_（AFH,Adaptive Frequency Hopping）：通過避免使用跳躍序列中的擁擠頻率，從而改善對無線電干涉的抵抗。
* 更高的實際傳輸速度，實際測試約為 90KB/S（721Kbps）左右。
* L2CAP 層引入了流量控制和錯誤糾正機制

### 第二代

藍牙 2.0+EDR 版加入了「非跳躍窄頻通道」（Non-hopping narrowband channel）。因為不需要與每個裝置交換應答訊號，這種通道可以用來將各種器件的藍牙服務概要同時廣播到巨量的藍牙器件。應答訊號交換過程當前需要大約一秒。即時公共運輸時刻表、基本的交通暢通性資訊和進階交通指向指示等未加密資訊可以以高速度傳送給裝置。更高的連接速度，支援多個速度水平。

2007 年 7 月 26 日，藍牙技術聯盟通過了藍牙核心規範 2.1+EDR，向下對 1.2 版本完全相容，並增加了 Sniff 省電功能，使得配接器與裝置的聯絡時間延長到 0.5 秒，能節約不小電量；增強功能有簡單安全配對（SSP），這改善了藍牙裝置的配對經驗，同時提升了使用和安全強度。

### 第三代

2009 年 4 月 21 日，藍牙技術聯盟頒布了藍牙核心規範 3.0 版（3.0+HS），是一種全新的交替射頻技術。藍牙 3.0+HS 提高了資料傳輸速率，整合 802.11PAL 最高速度可達 24Mbps。是藍牙 2.0 速度的 8 倍。此外，引入了增強電源控制，實際空閒功耗明顯降低。

### 第四代

2010 年 7 月 7 日，藍牙技術聯盟推出了藍牙 4.0 規範。其最重要的特性是支援省電。

* Bluetooth 4.0，協定組成和當前主流的 Bluetooth h2.x+EDR、還未普及的 Bluetooth h3.0+HS 不同，Bluetooth 4.0 是 Bluetooth 從誕生至今唯一的一個綜合協定規範，
* 還提出了「低功耗藍牙」、「傳統藍牙」和「高速藍牙」三種模式。
* 其中：高速藍牙主攻資料交換與傳輸；傳統藍牙則以資訊溝通、裝置連接為重點；低功耗藍牙顧名思義，以不需占用太多頻寬的裝置連接為主。前身其實是 NOKIA 開發的 Wibree 技術，本是作為一項專為行動裝置開發的極低功耗的移動無線通訊技術，在被 SIG 接納並規格化之後重新命名為 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，此外，Bluetooth 4.0 還把藍牙的傳輸距離提升到 100 公尺以上（低功耗模式條件下）。
* 分 Single mode 與 Dual mode。
* Single mode 只能與 BT4.0 互相傳輸無法向下相容（與 3.0/2.1/2.0 無法相通）;Dual mode 可以向下相容，可與 BT4.0 傳輸也可以跟 3.0/2.1/2.0 傳輸
* 超低的峰值、平均和待機模式功耗，覆蓋範圍增強，最大範圍可超過 100 公尺。
* 速度：支援 1Mbps 資料傳輸率下的超短封包，最少 8 個八組位，最多 27 個。所有連接都使用藍牙 2.1 加入的減速呼吸模式（sniff subrating）來達到超低工作迴圈。
* 跳頻：使用所有藍牙規範版本通用的自適應跳頻，最大程度地減少和其他 2.4 GHz ISM 波段無線技術的串擾。
* 主控制：可以休眠更長時間，只在需要執行動作的時候才喚醒。
* 延遲：最短可在 3 毫秒內完成連接設定並開始傳輸資料。
* 健壯性：所有封包都使用 24-bit CRC 校驗，確保最大程度抵禦干擾。
* 安全：使用 AES-128 CCM 加密演算法進行封包加密和認證。
* 拓撲：每個封包的每次接收都使用 32 位元定址，理論上可連接數十億裝置；針對一對一連接最佳化，並支援星形拓撲的一對多連接；使用快速連接和斷開，資料可以在網狀拓撲內轉移而無需維持複雜的網狀網路。

2013 年底，藍牙技術聯盟推出了藍牙 4.1 規範，其目的是為了讓 Bluetooth Smart 技術最終成為物聯網 (Internet of Things) 發展的核心動力。

* 此版本為藍牙 4.0 的軟體更新版本，搭載藍牙 4.0 裝置的終端可通過軟體更新獲得此版本。
* 對於開發人員而言，該更新是藍牙技術發展史上一項重要的進步。該更新提供了更高的靈活性和掌控度，讓開發人員能創造更具創新並催化物聯網（IOT）發展的產品。
* 支援多裝置連接。
* 智慧型連接：增加設定裝置間連接頻率的支援。製造商可以對裝置設定連接進行設定，使得裝置可以更加智慧型的控制裝置電量。

2014 年 12 月，藍牙技術聯盟推出了藍牙 4.2 規範。

### 第五代

* 藍牙 5.0 在 2016 年 6 月發布。在有效傳輸距離上將是 4.2LE 版本的 4 倍，傳輸速度將是 4.2LE 版本的 2 倍（速度上限為 24Mbps）。藍牙 5.0 還支援室內定位導航功能（結合 WiFi 可以實現精度小於 1 公尺的室內定位），允許無需配對接受信標的資料（比如廣告、Beacon、位置資訊等，傳輸率提高了 8 倍），針對物聯網進行了很多底層最佳化。

2019 年 1 月，藍牙技術聯盟推出了藍牙 5.1 規範。

2020 年 1 月，藍牙技術聯盟推出了藍牙 5.2 規範。

2021 年 7 月，藍牙技術聯盟推出了藍牙 5.3 規範。

## 藍牙技術聯盟

藍牙技術聯盟（英語：Bluetooth Special Interest Group，縮寫為 SIG）擁有藍牙的商標，負責製定藍牙規範、認證製造廠商，授權他們使用藍牙技術與藍牙標誌，但本身不負責藍牙裝置的設計、生產及販售。

### 藍牙協定堆疊

藍牙協定堆疊依照其功能可分四層：

* 核心協定層（HCI、LMP、L2CAP、SDP）
* 線纜替換協定層（RFCOMM）
* 電話控制協定層（TCS-BIN）
* 選用協定層（PPP、TCP、IP、UDP、OBEX、IrMC、WAP、WAE）

### 藍牙規範

藍牙規範（Profile）是指藍牙通訊在那一種用途下應該使用的通訊協定和相關的規範。藍牙 1.1 定義的 profile 有 13 個。SIG 認為藍牙裝置有 4 個最基本的 Profile：

* General Access Profile（GAP）
* Service Discovery Application Profile（SDAP）
* Serial Port Profile（SPP）
* General Object Exchange Profile（GOEP）

## 缺點

### 干擾

Bluetooth 在 2.4GHz 的電波干擾問題一直為大家所詬病，特別和無線區域網路 (Wi-Fi) 間的互相干擾問題。有干擾發生時，就以重新傳送封包的方法來解決干擾。

### 安全性

在 JAVA 和 Symbian60 平台上，使用「藍牙駭客」或「藍牙間諜」軟體，對方同意配對就可以控制打開藍牙的手機。此種軟體可以實現的功能有：檢視對方手機中的電話簿、簡訊、電量、序列號；更改對方手機的音訊設定檔和介面語言、打開對方手機內建的 JAVA 軟體、控制手機多媒體播放器、遙控對方手機打電話、傳簡訊等。

## 參見

* 藍牙規範
* 紅外線通訊技術
* 近場通訊
* Wi-Fi
* OSGi Alliance
* Salutation
* 服務定位協定
* UPnP

## 參考文獻

## 外部連結

* 藍牙技術聯盟官方網站