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藍芽入門
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## OverView of Content

[TOC]

## 藍芽技術聯盟

[**Bluetooth 藍芽技術聯盟官網**](https://www.bluetooth.com/)

藍芽技術聯盟 (Bluetooth Special Interest Group, SIG) 是一個訂製藍芽規範、推動藍芽技術的國際組織

### 藍芽 - 歷史版本

* 可以透過 Specifications 搜尋對應的藍芽相關資訊

1. Core 當前版本藍芽

| 關鍵字 | Status | 說明 | 舉例 |
| - | - | - | - |
| `Core` | Active | 藍芽當前正在使用的最新版本 | `Core Specification 5.3` |
| `Core Specification Supplement` | Active | 對藍芽協議的補強 | `Core Specification Supplement 10` |
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2. **Withdrawn** 廠商不再生產的版本

| 關鍵字 | Status | 說明 | 舉例 |
| - | - | - | - |
| `Core` | Withdrawn | 舊版藍芽核心協定，但不在生產 | `Core Specification 4.0` |

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3. **Deprecated** 藍芽聯盟不再提供認證 & 授權，在 `Withdrawal` 日期之前仍可生產

| 關鍵字 | Status | 說明 | 舉例 |
| - | - | - | - |
| `Core` | Deprecated | 舊版藍芽核心協定，在 `Withdrawal` 日期之前仍可升生產 | `Core Specification 4.1` |

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## 藍芽版本

| 藍芽版本 | 發布年分 | 重點內容 | 補充 |
| -------- | -------- | -------- | - |
| 1.x | 1998 ~ 2004 | 基礎版本，基礎速度 BR (Basic Rate) | 速度 1 Mbit/s |
| 2.0/2.1 + EDR | 2004 | 強速度模式 EDR (Enhanced Data Rate) 模式 | 速度 2 ~ 3Mbit/s |
| 3.0 + HS | 2009 | 提高速度 HS (High Speed) 模式，啟用 IEEE 802.11 | 速度 24 Mbit/s |
| 4.0 | 2010 | **低功號藍芽 LE 模式** | LE 速度 1 Mbit/s |
| 4.1 | 2013 | LE 支持主從一體 | HS 模式 速度 54 Mbit/s |
| 4.2 | 2014 | 用戶數據包長度從 20 byte 升到 244 byte | |
| 5.0 | 2016 | 增加 Angle of Arrival、Angle of Departure 定位模式 | |
| 5.1/5.2 | 2019 | 增加 LE Audio | |

詳細可以看藍芽聯盟提供的 Core 檔案

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### v1.x/v2.x - BR/EDR

* v1.x 版本 **Basic Rate**

使用 1MBit/s 的 PHY 物理層，稱為基本速度 (BR) 模式

* v2.x 版本 **Enhanced Data Rate**

* 該版本的藍芽又稱為 `經典`、`傳統` 藍芽 Bluetooth Classic，速度 2 ~ 3Mbit/s

### v3.0 - High Speed

* v3.0 版本 **High Speed**

該版本藍芽又超為 `高速藍芽`，**HS 使用的是 ++IEEE 802.11 的 Wi-Fi 協定++，並非藍芽的 IEEE 802.15.1**

:::warning
* IEEE 802.11 協定 ?

代表 **抽象、底層的無線網路標準**，所謂的標準就像是協議，而如何達成這個協議，可以由各平台、裝置自身決定
:::

### v4.x - Low Energy

* v4.0 版本 **Low Energy**

該版本藍芽又超為 `低功率藍芽 BLE`，使用 1MBit/s 的 PHY 物理層

:::info
* `v4.x BLE` & `v1.x BR` 使用相同的 PHY ?

**No !** 兩者使用不同的物理層
:::

* 到這裡藍芽分為了 **三個分支**

1. 傳統 (經典) 藍芽

2. 高速藍芽：**使用 Wi-Fi 協議**

3. 低功率藍芽

* `傳統 (經典) 藍芽`、`低功率藍芽` 又分為兩種模式

* 單模：設備只支持兩者其中一種

* 雙模：設備支持兩種藍芽

:::warning
`傳統 (經典) 藍芽`、`低功率藍芽` **不能相互通訊**
:::

* v4.1 版本，**支持主從一體**

在舊版藍芽中，一個藍芽設備只能充當一種腳色；v4.1 版本以後，既可以成為 Server 也可以成為 Client，增強靈活性

* 4.2 版本

**用戶數據包長度從 20 byte 升到 244 byte**

### v5.0 - 增強 LE 功能

* v5.0 版本，主要增強了 LE 的傳輸特性

* `LE 2M PHY`：無編碼版本，速度為 1 ~ 2Mbit/s

* `LE Coded PHY`：編碼版本，速度為 500 ~ 125Kbit/s

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## 藍芽訊號

藍芽的本質是無線電波，會有許多因素影響到距離

### 天線、射頻電路

* 天線設計的好壞，會影響射頻訊號的能量傳輸；

1. **大多數天線都有方向性**：360 度天性的性能不一致

2. **頻段**：**藍芽頻段為 ==2.4GHz==**，這樣的高頻段屬於射頻電路範圍

### 發射功率 - dBm 單位

* **發射功率 `Transmit Power`、接收靈敏度 `Receive Sensitivity`**

1. **藍芽發射功率 `Transmit Power` 會影響到傳輸距離**

2. **藍芽接收靈敏度 `Receive Sensitivity`** 表示接收訊號性能的好壞

* 發射功率、接收靈敏度，兩者都 **單位可以使用 `dBm` 來描述，常用功率單位 `mW` 的對數 (log) 關係**；公式、通常對應值如下

| dBm | mW |
| -------- | -------- |
| 0dBm | 1mW |
| 3dBm | 2mW |
| -3dBm | 0.5mW |
| 10dBm | 10mW |
| -10dBm | 0.1mW |

* **公式**：X dBm = 10 log (P/1mW)

* 常見關係

* 加、減 3 dBm：加法功率 (`0dBm`) * 2、減法功率 (`0dBm`) / 2

* 加、減 10 dBm：加法功率 (`0dBm`) * 10、減法功率 (`0dBm`) / 10

### 干擾、路徑損失 Path Loss

* 簡單來說就是傳輸信號的路徑上的物體 (空氣也算)、每個物體對於信號的角度反射，這都會影響到藍芽傳輸的距離

:::warning
其中最大的 **干擾通常是在同一個頻段上的 Wi-Fi 裝置 (也是 2.4GHz)**
:::

### 物理層 PHY

* BLE 不同的物理層 (BLE 有四個物理層)：每個傳送的速度都不同　（有四種 2、1、0.5、0.125Mbit/s），距離越遠速度越慢，距離越近越快

:::success
* 藍芽聯盟也有提供相對應的 [**傳輸距離問題**](https://www.bluetooth.com/learn-about-bluetooth/key-attributes/range/)，並且有另一個 [**模擬器**](https://www.bluetooth.com/learn-about-bluetooth/key-attributes/range/#estimator) 可以計算

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## 常用無線協議

了解其他無線協議可以知道藍芽的優劣勢

| 項目\協議 | 經典藍芽 | BLE | NFC | ZigBee | Wi-Fi | LoRa | Cellular |
| - | - | - | - | - | - | - | - |
| 規模 | PAN | PAN/LAN | PAN | LAN | LAN | WAN | WAN |
| 拓撲 | Star | Tree, Mesh | P2P | Tree, Mesh | Star | Star | Star |
| 功號 | 中 | 低 | 低 | 低 | 高 | 中 | 高 |
| 速度 (bit/s) | 3M | 2M | 400K | 250K | 9.6G | 37.5K | 20G |
| 距離 | 10m | 10m ~ 100m(Coded) | 3cm | 50m | 50m | 2km | 2km |
| 價格 | 低 | 低 | 低 | 低 | 中 | 中 | 高 |
| 應用 | 交換數據、耳機 | 遙控、家居 | 支付、認證、通行 | 家居、工業 | 互聯網 | 工業、大樓、智慧都市 | 手機 |
| 手機兼容 | Y | Y | Y | N | Y | N | Y |

### 規模 & 拓撲

* 範圍來講可大致分為 三種

| 描述 Network 差異 | 說明 | 補充 |
| - | - | - |
| **PAN** (`Personal Area Network`) | 通常是給個人使用 | NFC、藍芽 |
| **LAN** (`Local Area Network`) | 多個用戶組起來的區域網路 | ZigBee、Wi-Fi、BLE (支持 Mesh 後) |
| **WAN** (`Wide Area Network`) | 覆蓋整個都市 | LoRa、Cellular |

* 拓撲常見的類型為

| 描述 拓撲 | 說明 | 概念圖 |
| - | - | - |
| **P2P** | 點對點，一對一傳輸通訊 |  |
| **Star** | Server 設備可以對多個 Client 設備，但 **Client 之間無發通訊** |  |
| **Tree** | 星狀圖的升級版，就是一樹型結構，**數據傳遞需要依賴上層 Node，較耗費時間** |  |
| **Mesh** | 圖的形狀，但訊息會不容易追蹤 |  |

## Appendix & FAQ

:::info
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###### tags: `BLE`