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藍牙低功耗

藍牙低功耗（Bluetooth Low Energy，或稱Bluetooth LE、BLE，舊商標Bluetooth Smart[1]）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路技術，旨在用於醫療保健、運動健身、信標[2]、安防、家庭娛樂等領域的新興應用。[3]相較經典藍牙，低功耗藍牙旨在保持同等通訊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，均已原生支援低功耗藍牙。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援低功耗藍牙。[4]

相容性

低功耗藍牙不能向下相容原有的藍牙協定（下文稱經典藍牙）。藍牙4.0規範允許裝置同時支援經典與低功耗藍牙協定。

低功耗藍牙與經典藍牙使用相同的2.4 GHz無線電頻率，因此雙模裝置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

 
曾經使用的藍牙智慧型標誌

2011年，藍牙技術聯盟（SIG）發表了「藍牙智慧型」徽標，體現低功耗裝置與藍牙裝置的相容性。[5]

  • 具有「藍牙智慧型就緒」（Bluetooth Smart Ready）標識的外設相容經典藍牙與低功耗藍牙的雙模。[6]
  • 具有「藍牙智慧型」（Bluetooth Smart）標識的裝置僅支援低功耗藍牙，可以與「藍牙智慧型就緒」或「藍牙智慧型」裝置通訊。

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「藍牙智慧型」和「藍牙智慧型就緒」標識，恢復使用「Bluetooth」圖案標誌和文字標識。[7]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，特別是智慧型家庭、健康、運動健身部分。[8]主要的優點包括：

  • 低功耗，使用紐扣電池就可執行數月至數年
  • 小體積、低成本
  • 與現有的大部分手機、平板電腦和電腦相容

歷史

2001年，諾基亞確定了當時多個未明確的無線技術方案。[9]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「藍牙低階擴充」（Bluetooth Low End Extension）為名將此技術發表。[10]

得益於羅技等合作夥伴在歐盟FP6（英語：FP6）的MIMOSA專案中的合作[11]和意法半導體一貫的推進和支援，該技術在2006年10月以品牌名稱Wibree公開發布。[12]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」。[13][14]

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。[15]首款實現4.0規範的智慧型手機iPhone 4S發布於2011年10月。[16]其餘很多製造商在2012年也發布了「藍牙智慧型就緒」的裝置。

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）。出於一個品牌行銷的考量，小數點被取消了，這一決定據稱是為了「簡化行銷、更有效地向使用者傳達益處」。[17]在技術方面，藍牙5通過增加發射功率或編碼實體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，通過增加廣播資料的長度使資料廣播容量增加到8倍，主要應對需要連接整棟房屋的物聯網應用。[18]

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。Mesh規範（英語：Bluetooth mesh networking）使藍牙低功耗支援家庭自動化、感測器網路等場景的多對多通訊。[19]

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定義了一個裝置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以確保相容性。一台裝置可以使用多個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，作為通用的封裝資料的單位，並定義了如何通過藍牙連接傳輸屬性從而達到傳輸資料的目的。[20]藍牙4.0能夠提供低功耗的較高位元速率傳輸。

2014年，CSR（現屬高通一部分）發布了CSR Mesh協定。CSR Mesh中各裝置使用藍牙低功耗進行通訊。各裝置能夠為其他裝置轉發訊息，從而實現網格效應。舉例來說，藉助網格的通訊能力，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慧型網格（Smart Mesh）研究組，研究並定義用例，納入到標準規範中。[21][22][23]

健康護理規範

「藍牙低功耗」裝置在醫療領域中有許多規範。康體佳健康聯盟（英語：The Continua Health Alliance）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）— 用於醫療溫度測量裝置。
  • 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感測器，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（網際網路協定支援規範）

通用感測器

  • ESP（環境感應規範）
  • UDS（使用者資料服務）

HID連接

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

接近感應

「Electronic leash（英語：Electronic leash）」非常適合為「始終開啟」的裝置儘可能延長電池壽命。[24] iBeacon裝置的製造商為其裝置實現了相應規範，確保與蘋果公司裝置的接近感應功能相容。[25]

有關的應用程式規範包括：

  • FMP — 「尋找我」規範 — 允許使用另一個裝置讓一個裝置發出提醒。[26]
  • 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，裝置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裝置接收通知，例如另一台裝置發來的來電通知。
  • 時間規範允許客戶端裝置設定採用伺服器裝置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」和裝置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，包括中國大陸的通訊巨量資料行程卡、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。[27]

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，以便可以用韌體升級實現更新標準。

硬體

當今的行動裝置通常發布同時支援「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裝置列表 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）。

作業系統

  • iOS 5及更高版本[28]
  • Windows Phone 8.1[29]
  • Windows 8及更高版本[30]
  • Android 4.3及更高版本[31]
  • BlackBerry 10[32]
  • Linux 3.4及更高版本，通過BlueZ 5.0[33]
  • Unison OS 5.2 [34]

技術細節

無線電介面

「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），但使用另一組頻道。不同於經典藍牙的79 1-MHz頻道，藍牙低功耗使用40 2-MHz頻道。在一個頻道內，資料使用高斯頻移調變傳輸，類似經典藍牙的基本速率方案；位元速率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 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）的Volume 6 - Part A（實體層規範）。

藍牙低功耗使用跳頻展頻抵抗窄頻干擾問題。經典藍牙也使用跳頻擴充，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位調變技術或直接序列展頻。[35]

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） 100米（330英尺） >100米（>330英尺）
空中資料速率 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位元，以及應用層使用者定義 使用Counter Mode CBC-MAC（英語：Counter Mode CBC-MAC）的128位元AES，以及應用層使用者定義
健壯性 自適應快速跳頻擴充，FEC，快速ACK 自適應跳頻擴充，Lazy確認，24位元CRC，32位元訊息完整性檢查
潛伏時間（從非連接狀態） 典型100 ms 6 ms
傳送資料的最小總時間（影響續航時間） 100 ms 3 ms [36]
語音能力 是 否
網路拓撲 Scatternet（英語：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、立體聲音訊流、智慧型家居、可穿戴裝置、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、立體聲音訊流、智慧型家居、可穿戴裝置、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

藍牙低功耗裝置通過廣播宣告（advertising）封包的方式被發現。為減少干擾，這使用3個獨立頻道（頻率）完成。宣告裝置在這三個頻道中的至少一個上傳送封包，傳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頻道進行監聽，掃描周期性重複。

因此，發現裝置的等待時間存在概率性，取決於三個參數（宣告間隔、掃描間隔和掃描窗口）。

已隱藏部分未翻譯內容，歡迎參與翻譯。
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[37] 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[38]。

軟體模型

所有藍牙低功耗裝置使用「通用屬性規範」（GATT）。藍牙低功耗提供該應用程式介面了解到作業系統通常基於GATT概念[需要解釋]。[39]GATT具有以下術語：

客戶端
一個發出GATT命令和請求的裝置，然後接受回應。例如一個電腦或智慧型手機。
伺服器
一個接受GATT命令和請求的裝置，然後返迴響應。例如一個溫度感測器。
特徵
在客戶端與伺服器間傳遞的資料值，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），以及感測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；裝置的主要功能被稱為主（primary）服務，而附加功能被稱為次（secondary）服務。

識別碼

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（英語：Proprietary format）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）[40]）供標準屬性使用。為提高效率，協定中的識別碼以16位元或32位元值表示，而非完整UUID所需的128位元。例如，裝置資訊（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線上文件。

GATT操作

GATT協定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尋找一個服務
  • 尋找指定主服務的輔助服務
  • 發現指定服務的所有特徵
  • 尋找匹配指定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或控制代碼（handle）值（由上面的發現命令返回）來讀取值。
  • 寫操作始終需要以控制代碼來標識特徵，但可選是否需要伺服器返迴響應。
  • 長讀（Long read）和長取（Long write）可以在特徵的資料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傳送給客戶端。例如，溫度感測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執行。

指示（indication）與通知類似，不同之處是它需要客戶端回應已收到該訊息。

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：

 
藍牙低功耗晶片組功耗設定檔，不同的組態參數，依照Aislelabs的「iBeacon硬體旅行指南」[41]

藍牙低功耗的設計使更低功耗的裝置成為了可能。包括CSR、Dialog Semiconductor（英語：Dialog Semiconductor）、Nordic Semiconductor（英語：Nordic Semiconductor）、意法半導體、Cypress Semiconductor（英語：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最佳化的晶片組。外圍裝置與中央裝置有著不同的功耗要求。據信標軟體公司Aislelabs（英語：Aislelabs）的一項研究顯示，諸如接近信標等外圍裝置通常使用一枚1000毫安時的紐扣電池工作1-2年。[42]

相比之下，連續掃描中央裝置的同類信標可能在幾小時內就消耗1000毫安時。在Android和iOS裝置上，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裝置的數量[43]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。[44]

拓展閱讀

GATT在藍牙4.0核心規格 （頁面存檔備份，存於網際網路檔案館）的Volume 3 - Part G有完整描述。

參見

參考資料

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  2. ^ beacons. [2017-11-23]. （原始內容存檔於2014-10-24）. 
  3. ^ bluetooth.com: Bluetooth Smart. [2017-11-13]. （原始內容存檔於2014-01-17）. 
  4. ^ Mobile Telephony Market. Bluetooth Special Interest Group. [January 16, 2014]. （原始內容存檔於2014-02-09）. 
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外部連結

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