藍(lán)牙是一種支持設(shè)備短距離通信的低功耗、低成本無線電技術(shù)。它的標(biāo)準(zhǔn)是IEEE802.15，工作在2.4GHz 頻帶。藍(lán)牙技術(shù)以其便捷性和實用性迅速滲透到了我們生活的方方面面。從最初的無線耳機、音箱連接，到如今在智能家居、健康管理、數(shù)據(jù)傳輸?shù)榷鄠€領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，藍(lán)牙技術(shù)無疑成為了現(xiàn)代生活中不可或缺的一部分。
本人工作之初接觸的最早藍(lán)牙設(shè)備就是藍(lán)牙鼠標(biāo)。今天我們就一起來學(xué)習(xí)藍(lán)牙技術(shù)的基礎(chǔ)知識。
一、藍(lán)牙起源
藍(lán)牙（Bluetooth）源于10世紀(jì)的丹麥國王哈拉爾一世（Harald Blåtand）。這位國王以統(tǒng)一斯堪的納維亞半島的功績聞名，而“藍(lán)牙”正是他名字的北歐語直譯。而將“藍(lán)牙”與現(xiàn)在的無線通訊技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)關(guān)聯(lián)在一起的，是一位來自英特爾的工程師JimKardach，他在一次無線通訊行業(yè)會議上，提議將“Bluetooth”作為無線通訊技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的名稱。用“Bluetooth”名字來命名這種新的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。1998 年 ，愛立信聯(lián)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(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟的前身，目標(biāo)是開發(fā)一個成本低、效益高、可以在短距離范圍內(nèi)隨意無線連接的藍(lán)牙技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，到此藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)正式形成。
二、藍(lán)牙發(fā)展歷程
藍(lán)牙技術(shù)從最初形成，到如今已經(jīng)發(fā)展到了第6代藍(lán)牙技術(shù)，如下圖所示：
藍(lán)牙幾個關(guān)鍵發(fā)展節(jié)點：
藍(lán)牙2.0+EDR（2004年）：傳輸速度提升至2.1Mbps，支持立體聲音頻傳輸，MP3耳機開始流行。
藍(lán)牙4.0（2010年）：引入低功耗藍(lán)牙（BLE），引爆智能手環(huán)、健康監(jiān)測等物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。
藍(lán)牙5.0（2016年）：傳輸距離擴展至300米（空曠環(huán)境），速度翻倍，支持多設(shè)備廣播。
藍(lán)牙5.3（2021年）：增強抗干擾能力，降低延遲，為游戲耳機和AR/VR設(shè)備鋪路。
三、藍(lán)牙技術(shù)分類
藍(lán)牙經(jīng)典無線電，也稱為藍(lán)牙基本速率/增強數(shù)據(jù)速率 (BR/EDR)，工作在 2.4GHz 未授權(quán)工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療 (ISM) 頻段的 79 個通道上傳輸數(shù)據(jù)。藍(lán)牙經(jīng)典支持點對點設(shè)備通信，主要用于實現(xiàn)無線音頻流，例如無線揚聲器、耳機和車載娛樂系統(tǒng)等。藍(lán)牙經(jīng)典無線電還支持?jǐn)?shù)據(jù)傳輸應(yīng)用，例如移動打印。
藍(lán)牙低功耗 (BLE) 無線電專為極低功耗操作而設(shè)計。藍(lán)牙低功耗無線電在 2.4GHz 未經(jīng)許可的 ISM 頻段上通過 40 個通道傳輸數(shù)據(jù)，為開發(fā)人員提供了極大的靈活性，使他們能夠構(gòu)建滿足其市場獨特連接要求的產(chǎn)品。藍(lán)牙低功耗支持多種通信拓?fù)?，從點對點擴展到廣播，以及最近的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，使藍(lán)牙技術(shù)能夠支持創(chuàng)建可靠的大規(guī)模設(shè)備網(wǎng)絡(luò)。雖然藍(lán)牙低功耗最初以其設(shè)備通信功能而聞名，但現(xiàn)在也被廣泛用作設(shè)備定位技術(shù)，以滿足對高精度室內(nèi)定位服務(wù)日益增長的需求。藍(lán)牙低功耗現(xiàn)在包含的功能可以使一個設(shè)備確定另一個設(shè)備的存在、距離和方向。
四、藍(lán)牙協(xié)議棧組成
藍(lán)牙協(xié)議棧由主機 + HCI(可選) + 控制器三大塊組成，其中對于單芯片方案是沒用HCI的。
主機(Host) ：主機部分由核心協(xié)議層(L2CAP、SDP、SMP、ATT)和核心規(guī)范(GAP、GATT)構(gòu)成。
控制器(Controller)：分為低功耗藍(lán)牙（Low Energy Controller）和經(jīng)典藍(lán)牙（BR/EDR Controller）。其中鏈路管理(LM)、基帶（BB）和射頻（RF）構(gòu)成了藍(lán)牙的物理模塊。RF 通過2.4GHz 的 ISM 頻段，實現(xiàn)數(shù)據(jù)位流的傳輸，它主要定義了藍(lán)牙收發(fā)器應(yīng)滿足的條件?；鶐Х鲋l和藍(lán)牙數(shù)據(jù)和信息幀的傳輸?；鶐Ь褪撬{(lán)牙的物理層，它負(fù)責(zé)管理物理信道和鏈路中除了錯誤糾正、數(shù)據(jù)處理、調(diào)頻選擇和藍(lán)牙安全之外的所有業(yè)務(wù)。
HCI：此部分定義了主機和控制器之間通信的接口標(biāo)準(zhǔn)（Host Controller Interface），可以是UART、USB等通信方式。
五、藍(lán)牙協(xié)議規(guī)范分類
為保證藍(lán)牙設(shè)備間相互操作性，藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟制定了一系列的協(xié)議規(guī)范。這些協(xié)議規(guī)范主要定義了藍(lán)牙設(shè)備的通信協(xié)議，硬件接口及應(yīng)用層協(xié)議，確保不同廠家的藍(lán)牙設(shè)備可以相互配對通信。
5.1、藍(lán)牙核心規(guī)范（Bluetooth Core Specification）
藍(lán)牙核心規(guī)范定義了藍(lán)牙設(shè)備之間的通信協(xié)議，包括物理層、鏈路層、控制層和應(yīng)用層等。它規(guī)定了藍(lán)牙設(shè)備的基本功能和特性，確保了藍(lán)牙設(shè)備之間的互通性。
5.2、藍(lán)牙配對協(xié)議（Bluetooth Pairing Protocol）
藍(lán)牙配對協(xié)議定義了藍(lán)牙設(shè)備之間的配對過程和密鑰生成算法。在藍(lán)牙設(shè)備進(jìn)行配對時，配對協(xié)議確保了通信雙方的身份驗證和密鑰交 換，從而確保了藍(lán)牙通信的安全性。
5.3、藍(lán)牙傳輸協(xié)議（Bluetooth Transport Protocol）
藍(lán)牙傳輸協(xié)議定義了藍(lán)牙設(shè)備之間數(shù)據(jù)的傳輸方式和協(xié)議。它規(guī)定了藍(lán)牙設(shè)備之間的數(shù)據(jù)傳輸格式、數(shù)據(jù)包的結(jié)構(gòu)和傳輸速率等，確保 了藍(lán)牙設(shè)備之間數(shù)據(jù)的可靠傳輸和處理。
5.4、藍(lán)牙音頻協(xié)議（Bluetooth Audio Profile）
藍(lán)牙音頻協(xié)議定義了藍(lán)牙設(shè)備之間音頻數(shù)據(jù)的傳輸和處理方式。它規(guī)定了藍(lán)牙設(shè)備之間音頻數(shù)據(jù)的編碼格式、音頻傳輸通道和音頻控制 等，使得藍(lán)牙設(shè)備可以實現(xiàn)音頻的傳輸和播放功能。
5.5、 藍(lán)牙物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議（Bluetooth Internet of Things Profile）
藍(lán)牙物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議定義了藍(lán)牙設(shè)備在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中的通信協(xié)議和功能規(guī)范。它包括了藍(lán)牙設(shè)備的發(fā)現(xiàn)、連接、數(shù)據(jù)傳輸和遠(yuǎn)程控制等功能， 使得藍(lán)牙設(shè)備可以無線連接到物聯(lián)網(wǎng)并實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和控制。