藍牙是一種基于2.4GHz ISM頻段的短距離無線通信技術(shù)，具有低功耗、低成本、方便快捷的特點，被廣泛應用于智能手機、電腦、無線遙控等場景，是實現(xiàn)無線通信的主流技術(shù)之一。自1999年Bluetooth Special Interest Group (SIG)發(fā)布的第一個藍牙版本，藍牙技術(shù)已經(jīng)發(fā)展了20余年，從藍牙1.0到藍牙5.4，每個版本都有迭代更新不同特性，藍牙1.0~3.0版本主要是與經(jīng)典藍牙相關(guān)，本文重點關(guān)注低功耗藍牙（即藍牙4.0及以后的版本）各版本的迭代特性。

Bluetooth Special Interest Group (SIG)成立于1998年，是推動藍牙技術(shù)的非營利性組織，全球超過36000名會員

藍牙SIG主要關(guān)注以下活動

- 創(chuàng)建藍牙規(guī)格

- 通過認證程序驅(qū)動藍牙互操作性

- 提高藍牙知名度

藍牙標準的發(fā)展歷程

1藍牙4.0主要特性

藍牙4.0是第一個引入LE標準的版本，主要的優(yōu)勢是低功耗。定義了一個點對點連接的微網(wǎng)結(jié)構(gòu)，Peripheral端通過Advertising和Central端建立數(shù)據(jù)連接，Advertising和Peripheral Connection在數(shù)據(jù)收發(fā)任務時間以外可以進入低功耗睡眠狀態(tài)；Central端通過Scan和Peripheral端建立數(shù)據(jù)連接，Scan和Central Connection在數(shù)據(jù)收發(fā)任務時間以外可以進入低功耗睡眠狀態(tài)。

主要有基本的功能，以實現(xiàn)點對點連接。

增加LE PHY

增加LE Link Layer

增加 LE test mode

ATT/GATT

AES encryption and Security Manager (SM)

Enhancements to L2CAP, GAP, and HCI for LE

2藍牙4.1主要特性演進

藍牙4.1特性變更較小，主要兼容了BR/EDR和BLE同時存在，同時底層鏈路可以支持不同的角色，以及引入LE Privacy特性， 藍牙地址可以隱藏，用戶不必擔心藍牙設備被追蹤，實現(xiàn)了設備的隱私保護。

01LE dual mode topology and

Dualmode Addressing

相對上個版本擴充了拓撲結(jié)構(gòu)，允許雙模BR/EDR和BLE，鏈路層可以同時存在多個不同角色。

02LE L2CAP connection oriented channel

在兩個藍牙低功耗設備間提供了更有效的數(shù)據(jù)傳輸，允許同一時間的多個邏輯通道存在。

03Low duty cycle directed adv

直連廣播增加低占比模式，可被連接的持續(xù)時間更長，瞬時廣播功耗更低。

04LE Privacy1.1

定義了Privacy基本概念，以實現(xiàn)設備的地址隱私保護。

05LE Ping

設備可以通過Ping Command定期檢查對端設備是否在線、以及加密管理的數(shù)據(jù)序列號是否正確。

3藍牙4.2主要特性演進

藍牙4.2的主要變更增加了單個PDU數(shù)據(jù)收發(fā)長度，改善了數(shù)據(jù)傳輸速率，用戶數(shù)據(jù)交互時體驗感增加，另外LE secure connection增加了隱私保護度，使能LE secure connection后外圍設備或者sniffer無法解密數(shù)據(jù)。

01LE Data Packet Length Extension

允許PDU最大數(shù)據(jù)長度為257bytes，之前版本的PDU最大數(shù)據(jù)長度為33bytes，可以提高鏈路的數(shù)據(jù)吞吐率。

02LE Secure Connection

使用ECDH進行密鑰交換和LTK產(chǎn)生，針對竊聽和MITM提供更高一層的保護。

03Link layer Privacy

RPA解析功能從之前的host端完成改到鏈路層完成，能夠更快速的識別到對端設備，提高操作的靈活性。

04Link layer extended scanner filter

policies

Scan白名單過濾增加的一種特殊機制。

4藍牙5.0主要特性演進

藍牙5.0變更較為顯著，支持2MPHY，傳輸速率是之前的2倍，用戶可以體驗到明顯的速度提升，同時Long Rang的添加實現(xiàn)了更遠的傳輸距離，LE Advertising Extensions更是擴展了廣播的使用范圍，不管是在通道，PHY, 數(shù)據(jù)長度，以及廣播功能上都有較大的改進。

01增加2Mbps LE PHY

2M PHY為可選支持PHY，速率為2Mkbps，相對1M PHY數(shù)據(jù)帶寬提高了1倍。

02增加LE Long range, S2 (500kbps),

S8 (125Kbps)

可以實現(xiàn)更遠的傳輸距離。

03增加High duty cycle non-connectable

ADV

最小廣播間隔從100ms減小到20ms，能夠讓對端設備更快掃描到。

04LE ADV Extensions

Extend ADV 使用40個信道而不是之前的3個信道

允許更大的ADV PDU(31bytes -> 254bytes)

增加了周期性廣播

允許多個廣播集同時存在（最多16個）

05LE Channel Selection Algorithm #2

跳頻算法只有12個不同的跳頻序列，新的跳頻算法2更隨機。

06Higher output power

將最大的發(fā)送功率，從4.0/4.1/4.2中的10mW增大到100mW。

5藍牙5.1主要特性演進

藍牙5.1主要加入了測向功能，為室內(nèi)定位服務提供了技術(shù)支撐。

01Angle of Arrival (AoA) and

Angle of Departure (AoD)

新增AOA/AOD技術(shù)原理來確定設備方向，提供位置服務功能。

02Advertising Channel Index

允許廣播事件以任意順序在3個或其中的幾個primary channel上遞增，之前的版本只允許在3個primary channel上順序遞增。

03GATT Caching

每當client端設備連接時，它都會執(zhí)行“服務發(fā)現(xiàn)”以查看服務器設備支持的功能這需要消耗時間和功耗。藍牙5.1增加GATT Caching功能后，在server端沒有任何更改的情況下，客戶端可以跳過服務發(fā)現(xiàn)流程，這意味著連接速度更快，并且消耗的能耗更少。

04Periodic Advertising Sync Transfer

增加將掃描到的周期性廣播同步信息通過ACL連接發(fā)送給另一個設備。

6藍牙5.2主要特性演進

藍牙5.2的變更相對其他變更更為明顯，主要是針對音頻應用的擴展，它允許將有時間限制的數(shù)據(jù)傳輸?shù)揭粋€或多個設備以進行時間同步處理，主要的應用場景為私人音頻分享，公共音頻廣播，輔助接收助聽器等。

01LE Isochronous Channel

定義了一個有時間依賴的數(shù)據(jù)傳輸通道和傳輸策略，用于低延時音頻數(shù)據(jù)傳輸，新增連接通道（CIS）和無連接通道（BIS）。

02LE Power Control

允許對端設備根據(jù)收到的信號強度和自身的接收靈敏度，發(fā)起修改對端設備發(fā)射功率的請求，以達到節(jié)省功耗的目的。

03Enhanced Attribute Protocol (EATT)

EATT可以多路數(shù)據(jù)并行，互相之間不影響，在有多個應用程序使用低功耗藍牙設備時，降低阻塞的情況，從而減少應用程序端到端延遲，提供更好的用戶體驗。

7藍牙5.3主要特性演進

藍牙5.3的主要變更方向為降低功耗，減少設備延遲，提高抗干擾能力以及安全性能提升。

01AdvDataInfo in Periodic ADV

在周期性廣播字域中增加advDataInfo字段，可以通過ADI字段設別當前數(shù)據(jù)是否曾經(jīng)被接收到，如果是重復的數(shù)據(jù)可以舍棄掉，以節(jié)省數(shù)據(jù)處理時間。

02LE Enhanced Connection Update

能夠快速有效的從較低的帶通速率切換到較高的帶通速率，以應對突發(fā)的大數(shù)據(jù)收發(fā)，在大數(shù)據(jù)交互完成后可以迅速降低當前帶寬，以節(jié)省能耗。

03LE Channel Classification

新增Peripheral可以根據(jù)自身的收包質(zhì)量，周圍信道干擾情況等信息，向central發(fā)送建議的信道請求，central可以做出適當?shù)臎Q定，以獲取最佳的信道，以避開干擾較大的信道，在之前的版本peripheral設備無法發(fā)送信道信息到central設備。

04Host to controller encryption

key control enhancements

增加加密密鑰長度可以通過協(xié)商獲取功能，并且規(guī)定了最小密鑰長度，提高鏈路安全性。

8藍牙5.4主要特性演進

藍牙5.4變更相對較少，主要為周期性廣播響應（PAwR）特性，為快速增長的電子貨架標簽(ESL)市場提供了標準的協(xié)議框架，進一步擴展了藍牙市場的應用范圍。

01Advertising Coding Selection

當發(fā)送擴展廣播時，Host可以指定在LE PHY上使用哪種codec編碼方式。

02Encrypted Advertising Data

允許使用預共享的會話密鑰對ADV數(shù)據(jù)進行加密，以避免基于ADV數(shù)據(jù)跟蹤設備，當與私有地址結(jié)合使用時，可以防止竊聽和攻擊，實現(xiàn)了更好的隱私保護。

03LE GATT Security Levels

Characteristics

增加安全級別特性(SLC) ，SLC 特性允許客戶端確定GATT服務器安全條件，如果要授予對端設備所有GATT功能的訪問權(quán)限，則必須滿足這些條件。

04Periodic Advertising with Response

之前版本的周期性廣播只能從廣播者到觀察者單向通訊，而PAwR是一種雙向交互的無連接通訊，實現(xiàn)單個接入點與數(shù)千個終端節(jié)點進行雙向通信。

9藍牙5.4+ 可能的主要特性演進（預判）

01High Accuracy Distance Measurement,

AKA, Channel Sounding

主要用于距離定位的場景。

藍牙版本向下兼容，藍牙版本越高功能越強大。藍牙版本迭代更新很快，覆蓋的應用領(lǐng)域也越來越多，泰凌深耕低功耗藍牙市場十多年，緊跟技術(shù)最新前沿，及時推出了一系列強有競爭力的芯片和應用方案，方便客戶開發(fā)具有競爭力的產(chǎn)品。目前泰凌在量產(chǎn)的芯片以及即將量產(chǎn)的芯片分別支持的對應藍牙版本的功能如下：

TLSR8208: 1Mbps, 2Mbps

TLSR825x: 增加S2，S8模式，EXTADV，CSA#2， MeshSupport

TLSR827x: 增加AoA/AoD

TLSR921x: 增加CIS，BIS，IAL，PCL，PAST， Subrate, PAwR等

TLSR922x: 增加ChannelSounding

其中TLSR921x和922x均可以軟件升級支持5.4中的PAwR等功能。

關(guān) 于 泰 凌

泰凌微電子致力于為客戶提供一站式的低功耗高性能無線連接SoC芯片解決方案，包括經(jīng)典藍牙，藍牙低功耗，藍牙Mesh，Zigbee，Thread，Matter，Apple HomeKit，Apple“查找（Find My）”，和私有協(xié)議等低功耗2.4GHz多協(xié)議無線連接系統(tǒng)級芯片和豐富的固件協(xié)議棧。公司產(chǎn)品廣泛應用于智能照明，智能家居/樓宇，智能遙控，無線外設，智能零售，穿戴設備，無線音頻，智能玩具，物流追蹤，智慧城市等各類消費和商業(yè)應用場景中。

審核編輯：湯梓紅