低功耗蓝牙版本的特性演进简介

蓝牙是一种基于2.4GHz ISM频段的短距离无线通信技术，具有低功耗、低成本、方便快捷的特点，被广泛应用于智能手机、电脑、无线遥控等场景，是实现无线通信的主流技术之一。自1999年Bluetooth Special Interest Group (SIG)发布的第一个蓝牙版本，蓝牙技术已经发展了20余年，从蓝牙1.0到蓝牙5.4，每个版本都有迭代更新不同特性，蓝牙1.0~3.0版本主要是与经典蓝牙相关，本文重点关注低功耗蓝牙（即蓝牙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，是推动蓝牙技术的非营利性组织，全球超过36000名会员

蓝牙SIG主要关注以下活动

- 创建蓝牙规格

- 通过认证程序驱动蓝牙互操作性

- 提高蓝牙知名度

蓝牙标准的发展历程

1蓝牙4.0主要特性

蓝牙4.0是第一个引入LE标准的版本，主要的优势是低功耗。定义了一个点对点连接的微网结构，Peripheral端通过Advertising和Central端建立数据连接，Advertising和Peripheral Connection在数据收发任务时间以外可以进入低功耗睡眠状态；Central端通过Scan和Peripheral端建立数据连接，Scan和Central Connection在数据收发任务时间以外可以进入低功耗睡眠状态。

主要有基本的功能，以实现点对点连接。

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蓝牙4.1主要特性演进

蓝牙4.1特性变更较小，主要兼容了BR/EDR和BLE同时存在，同时底层链路可以支持不同的角色，以及引入LE Privacy特性， 蓝牙地址可以隐藏，用户不必担心蓝牙设备被追踪，实现了设备的隐私保护。

01LE dual mode topology and 

Dual mode Addressing

相对上个版本扩充了拓扑结构，允许双模BR/EDR和BLE，链路层可以同时存在多个不同角色。

02LE L2CAP connection oriented channel

在两个蓝牙低功耗设备间提供了更有效的数据传输，允许同一时间的多个逻辑通道存在。

03Low duty cycle directed adv 

直连广播增加低占比模式，可被连接的持续时间更长，瞬时广播功耗更低。

04LE Privacy1.1

定义了Privacy基本概念，以实现设备的地址隐私保护。

05LE Ping

设备可以通过Ping Command定期检查对端设备是否在线、以及加密管理的数据序列号是否正确。

3蓝牙4.2主要特性演进

蓝牙4.2的主要变更增加了单个PDU数据收发长度，改善了数据传输速率，用户数据交互时体验感增加，另外LE secure connection增加了隐私保护度，使能LE secure connection后外围设备或者sniffer无法解密数据。

01LE Data Packet Length Extension

允许PDU最大数据长度为257bytes，之前版本的PDU最大数据长度为33bytes，可以提高链路的数据吞吐率。

02LE Secure Connection

使用ECDH进行密钥交换和LTK产生，针对窃听和MITM提供更高一层的保护。

03Link layer Privacy

RPA解析功能从之前的host端完成改到链路层完成，能够更快速的识别到对端设备，提高操作的灵活性。

04Link layer extended scanner filter 

policies

Scan白名单过滤增加的一种特殊机制。

4蓝牙5.0主要特性演进

蓝牙5.0变更较为显著，支持2MPHY，传输速率是之前的2倍，用户可以体验到明显的速度提升，同时Long Rang的添加实现了更远的传输距离，LE Advertising Extensions更是扩展了广播的使用范围，不管是在通道，PHY, 数据长度，以及广播功能上都有较大的改进。

01增加2Mbps LE PHY

2M PHY为可选支持PHY，速率为2Mkbps，相对1M PHY数据带宽提高了1倍。

02增加LE Long range, S2 (500kbps), 

S8 (125Kbps)

可以实现更远的传输距离。

03增加High duty cycle non-connectable 

ADV

最小广播间隔从100ms减小到20ms，能够让对端设备更快扫描到。

04LE ADV Extensions

Extend ADV 使用40个信道而不是之前的3个信道

允许更大的ADV PDU(31bytes -> 254bytes)

增加了周期性广播

允许多个广播集同时存在（最多16个）

05LE Channel Selection Algorithm #2

跳频算法只有12个不同的跳频序列，新的跳频算法2更随机。

06Higher output power

将最大的发送功率，从4.0/4.1/4.2中的10mW增大到100mW。

5蓝牙5.1主要特性演进

蓝牙5.1主要加入了测向功能，为室内定位服务提供了技术支撑。

01Angle of Arrival (AoA) and 

Angle of Departure (AoD)

新增AOA/AOD技术原理来确定设备方向，提供位置服务功能。

02Advertising Channel Index

允许广播事件以任意顺序在3个或其中的几个primary channel上递增，之前的版本只允许在3个primary channel上顺序递增。

03GATT Caching

每当client端设备连接时，它都会执行“服务发现”以查看服务器设备支持的功能这需要消耗时间和功耗。蓝牙5.1增加GATT Caching功能后，在server端没有任何更改的情况下，客户端可以跳过服务发现流程，这意味着连接速度更快，并且消耗的能耗更少。

04Periodic Advertising Sync Transfer

增加将扫描到的周期性广播同步信息通过ACL连接发送给另一个设备。

6蓝牙5.2主要特性演进

蓝牙5.2的变更相对其他变更更为明显，主要是针对音频应用的扩展，它允许将有时间限制的数据传输到一个或多个设备以进行时间同步处理，主要的应用场景为私人音频分享，公共音频广播，辅助接收助听器等。

01LE Isochronous Channel

定义了一个有时间依赖的数据传输通道和传输策略，用于低延时音频数据传输，新增连接通道（CIS）和无连接通道（BIS）。

02LE Power Control

允许对端设备根据收到的信号强度和自身的接收灵敏度，发起修改对端设备发射功率的请求，以达到节省功耗的目的。

03Enhanced Attribute Protocol (EATT)

EATT可以多路数据并行，互相之间不影响，在有多个应用程序使用低功耗蓝牙设备时，降低阻塞的情况，从而减少应用程序端到端延迟，提供更好的用户体验。

7蓝牙5.3主要特性演进

蓝牙5.3的主要变更方向为降低功耗，减少设备延迟，提高抗干扰能力以及安全性能提升。

01AdvDataInfo in Periodic ADV

在周期性广播字域中增加advDataInfo字段，可以通过ADI字段设别当前数据是否曾经被接收到，如果是重复的数据可以舍弃掉，以节省数据处理时间。

02LE Enhanced Connection Update

能够快速有效的从较低的带通速率切换到较高的带通速率，以应对突发的大数据收发，在大数据交互完成后可以迅速降低当前带宽，以节省能耗。

03LE Channel Classification

新增Peripheral可以根据自身的收包质量，周围信道干扰情况等信息，向central发送建议的信道请求，central可以做出适当的决定，以获取最佳的信道，以避开干扰较大的信道，在之前的版本peripheral设备无法发送信道信息到central设备。

04Host to controller encryption 

key control enhancements

增加加密密钥长度可以通过协商获取功能，并且规定了最小密钥长度，提高链路安全性。

8蓝牙5.4主要特性演进

蓝牙5.4变更相对较少，主要为周期性广播响应（PAwR）特性，为快速增长的电子货架标签(ESL)市场提供了标准的协议框架，进一步扩展了蓝牙市场的应用范围。

01Advertising Coding Selection

当发送扩展广播时，Host可以指定在LE PHY上使用哪种codec编码方式。

02Encrypted Advertising Data

允许使用预共享的会话密钥对ADV数据进行加密，以避免基于ADV数据跟踪设备，当与私有地址结合使用时，可以防止窃听和攻击，实现了更好的隐私保护。

03LE GATT Security Levels 

Characteristics

增加安全级别特性 (SLC) ，SLC 特性允许客户端确定GATT服务器安全条件，如果要授予对端设备所有GATT功能的访问权限，则必须满足这些条件。

04Periodic Advertising with Response

之前版本的周期性广播只能从广播者到观察者单向通讯，而PAwR是一种双向交互的无连接通讯，实现单个接入点与数千个终端节点进行双向通信。

9蓝牙5.4+ 可能的主要特性演进（预判）

01High Accuracy Distance Measurement, 

AKA, Channel Sounding

主要用于距离定位的场景。

蓝牙版本向下兼容，蓝牙版本越高功能越强大。蓝牙版本迭代更新很快，覆盖的应用领域也越来越多，泰凌深耕低功耗蓝牙市场十多年，紧跟技术最新前沿，及时推出了一系列强有竞争力的芯片和应用方案，方便客户开发具有竞争力的产品。目前泰凌在量产的芯片以及即将量产的芯片分别支持的对应蓝牙版本的功能如下：

TLSR8208: 1Mbps, 2Mbps

TLSR825x: 增加S2，S8模式，EXT ADV，CSA #2， Mesh Support

TLSR827x: 增加AoA/AoD

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

TLSR922x: 增加Channel Sounding

其中TLSR921x和922x均可以软件升级支持5.4中的PAwR等功能。

关 于 泰 凌

泰凌微电子致力于为客户提供一站式的低功耗高性能无线连接SoC芯片解决方案，包括经典蓝牙，蓝牙低功耗，蓝牙Mesh，Zigbee，Thread，Matter，Apple HomeKit，Apple“查找（Find My）”，和私有协议等低功耗2.4GHz多协议无线连接系统级芯片和丰富的固件协议栈。公司产品广泛应用于智能照明，智能家居/楼宇，智能遥控，无线外设，智能零售，穿戴设备，无线音频，智能玩具，物流追踪，智慧城市等各类消费和商业应用场景中。

审核编辑：汤梓红