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蓝牙咬紧“低功耗”物联网

本文作者:编辑部       点击: 2023-05-31 11:48
前言:
蓝牙已经快要25岁了
蓝牙从诞生至今已经近25年,这个最初用来连接耳机的标准,已经先后经历了五个大版本和十多次小版本的升级换代,成为今天数字生活中不可缺少的无线通信功能之一。

1998年,蓝牙诞生,同年10月19日发布0.7版;
1999年,7月,蓝牙1.0A版本,也是第一个正式版面世;单工传输,易被干扰,传输速率为723.1kbps
2003年,11月,蓝牙1.2版发布,自适应跳频和快速连接功能让蓝牙设备数量开始快速增长,传输速率达到1Mbps;
2004年,11月,蓝牙2.0版本发布,全双工传输,最大数据传输速度提高到3Mbps;
2007年,8月,蓝牙2.1版本发布,优化了蓝牙设备的功耗,提供NFC配对机制,将待机时间成倍提升;
2009年,4月,蓝牙3.0版本发布,蓝牙最大数据传输速度提升8倍,达到24Mbps;
2010年,7月,蓝牙4.0版本发布,首次推出了低功耗蓝牙BLE标准,蓝牙进入双模标准时代,同时进一步优化了传输速度,功耗、兼容性,并将传输距离延长至50米
2013年,12月,蓝牙4.1版本发布,引入IPv6规范,使得蓝牙设备接入能力进一步增加,并解决了与4G网络的干扰问题;
2014年,12月,蓝牙4.2版本发布,增加了数据传输速度,改善了蓝牙的安全性,至今仍有大量4.2版本设备在使用中;
2016年,6月,蓝牙5.0版本发布,最大传输速率达到48Mbps;将蓝牙设备的最大传输距离扩展到300米,针对室内导航和物联网进行优化,增加很多面向新兴应用的功能
2017年,蓝牙5版本增加了Mesh网络功能
2019年,蓝牙5.1版发布,加入测向(AOA)功能和厘米级别的定位功能,主要用于室内定位和物品防丢;
2020年,蓝牙5.2版发布,为TWS耳机进行优化,如LE同步信道,增加多音频流支持,增强版ATT,LE功率控制;
2021年,7月,蓝牙5.3版发布,提升低速连接能力,对开放设备增加加密能力,提升抗干扰和电池续航时间等;
2023年,1月,蓝牙5.4版本发布,针对电子标签功能进行优化

从蓝牙4.0版本开始出现的双模功能,两种无线电的选择,为开发者提供了一套多功能的全栈式、适合目的的解决方案,让蓝牙设备进入了更为广泛的市场。

Bluetooth®经典(Classic):Bluetooth Classic无线电,也被称为Bluetooth 基本速率/增强数据速率(BR/EDR),工作在2.4GHz非授权工业、科学和医疗(ISM)频段的79个频道上进行数据流。支持点对点设备通信,Bluetooth Classic主要用于实现无线音频流,已成为无线扬声器、耳机和车载娱乐系统背后的标准无线电协议。Bluetooth Classic无线电还能实现数据传输应用,包括移动打印。
 
图:低功耗蓝牙堆栈 图片来源:bluetooth.com

Bluetooth®低功耗(LE):是为非常低的功率操作而设计的。Bluetooth LE无线电在2.4GHz非授权ISM频段的40个信道上传输数据,为开发者提供了巨大的灵活性,以构建满足其市场独特连接要求的产品。Bluetooth LE支持多种通信拓扑结构,从点对点扩展到广播,最近又扩展到广播。 mesh,使Bluetooth 技术能够支持创建可靠的、大规模的设备网络。虽然最初以其设备通信功能而闻名,但Bluetooth LE现在也被广泛用作设备定位技术,以满足对高精度室内定位服务日益增长的需求。Bluetooth LE现在包括一些功能,使一个设备能够确定另一个设备的存在、距离和方向。

同样情况也延伸到音频领域,出现了Classic Audio(经典音频)和LE Audio(低功耗音频),经典音频在蓝牙经典无线电上运行,而 LE Audio 在蓝牙低功耗无线电上运行。LE Audio 不仅支持开发与经典音频相同的音频产品和用例,还引入相当多的新功能,正在创建很多新产品和应用案例。
 
图:蓝牙音频双模让音频应用更加灵活 图片来源:bluetooth.com
 
未来5年蓝牙出货年复合增长率达9%
疫情带来的变化,推动蓝牙在不同解决方案的发展趋势。例如,过去五年远程办公增加了44%,推动了个人电脑配件等需求的增长。此外,健康意识的提高也正推动智能手表、健康追踪器等可穿戴设备的增长。根据ABI Research的研究,未来五年,蓝牙设备年出货量将保持强劲增长势头,预计到2027年将达76亿件,复合年增长率为9%,更多新兴应用进入快速发展阶段。
 
低功耗音频有望超越经典音频
2022年7月发布的蓝牙低功耗音频(LE Audio)为蓝牙最大的解决方案领域——音频传输带来了进一步性能增强。LE Audio引入了全新Auracast™广播音频功能。
 
分析师预计,未来五年Auracast™广播音频的设备和其在公共场所的部署量将大幅增长,这将推动全新音频体验,提高蓝牙音频外围设备的价值,并为助听解决方案创造全新可扩展性选项,为音频无障碍提供新机遇。预计到2030年,全球将有250万个场所支持Auracast™广播音频功能。同时,Auracast™广播音频部署的增长也将直接影响LE Audio设备的采用速率。
 
图:未来五年,蓝牙经典音频将逐渐过渡到低功耗音频 图片来源:bluetooth.com

2026年前后,将是低功耗蓝牙音频与经典蓝牙音频的分水岭,届时低功耗蓝牙音频将逐步成为市场主流。
此外,行业专家还预测LE Audio将在助听器中得到更广泛的采用。LE Audio为助听器提供更好的支持,提高听力受损者的满意度,为全球超过1亿听力损失者提供音频援助。ABI Research预测,未来五年蓝牙助听设备的年出货量将增长5.5倍。
 
2022年9月,美国食品和药物管理局设立了一类非处方(OTC)助听器。现在,人们可以直接购买支持蓝牙的助听器,而无需体检、听力学家就诊或处方。因此,分析师预计这个新的非处方助听器市场将出现激增的增长。ABI Research 预测,到2027年,支持蓝牙的非处方 (OTC) 助听设备的年出货量将增长5.5倍。

电子货架标签有望成为全新的大批量市场
随着电子货架标签市场无线标准的发布,蓝牙技术将协助零售业进行下一阶段的数字化转型,为商店和购物者提供更好的消费体验。电子货架标签提供了精准的自动定价,并增加了对实时促销和产品信息的访问,提供更令人满意且整合的全渠道体验。预计到2027年,蓝牙ESL设备的出货量将达到3.34亿台。

环境物联网将有望颠覆市场预期
环境物联网是一个全新类别的蓝牙追踪解决方案,在不同行业将拥有超过10万亿台设备的总目标市场。环境物联网将显著改善供应链,其早期发展重点是支持过期货物的高速链,如食品、药品和可回收资产等。蓝牙技术的高普及度和成熟的生态系统,以及支持低成本标签和接收器设备的能力,使其能够最大程度地发挥环境物联网的优势。
 
图:蓝牙位置服务设备,预期到2027年将达5.15亿/年,复合年增长率为20%。
 
随着位置服务应用不断扩展,预计到2027年,蓝牙位置服务设备年度出货量将达到5.15件。除此之外,在可穿戴设备健康照护、医疗、Mesh网络,照明网络,长距离传输(高达300米)等其他应用场景,蓝牙的应用也在不断深入。到2026年,蓝牙健身和健康追踪设备的年出货量将达到1亿件,智能手表2.1亿件,AR、VR市场年复合增长率达51%,智慧眼镜年复合增长率达68%!

被寄予厚望的“杀手级”应用场景 蓝牙5.3和5.4版的野心

Auracast 为LE Audio拓展铺路
2022年6月,在蓝牙5.3版本发布1年后,,蓝牙技术联盟于正式公开发布了新世代蓝牙音频(LE Audio)中广播音频的技术- Auracast™。这项技术可以使一个音频源设备(如智能手机、平板电脑、电视或公共音响系统)向不限数量的音频接收设备(如耳塞、扬声器、助听器等)广播一个或多个音频流。Auracast™广播音频为创新开辟了重大发展机遇,包括实现个人和基于位置的音频分享。

Auracast™基于低功耗蓝牙(BLE)的周期性广播(Periodic Advertising)技术,在广播等时信道(BIG/BIS)上实现音频传输。广播等时信道在一般用途物理信道(共计37个)上以固定的时间间隔单向传输数字音频流,一个广播等时组(BIG)可包含最多31个广播等时流(BIS),这些广播音频流使用不同的存取地址,互不冲突。
 
相比经典蓝牙音频,Auracast具有低功耗(接收设备只接收信号,并不对外发射),数据安全,随时可获得,理论上在通信范围内可以有无限多个音频设备同时接收信号,最为重要的是,这些音频信号不需要依赖互联网,有点类似一个局部的mesh系统。因此,除了更加方便与朋友分享音乐,还可以方便商家发送广告,公共场所发送重要通知,博物馆、旅游地区接收导览信息等等,为LE Audio开发设计人员拓展市场提供更多可行性。
在最新发布的小米13手机中,已经开始支持蓝牙5.3版的这些特性。

5.4版本主攻电子货架标签

随着电子货架标签 (ESL) 市场的无线标准的引入,低功耗蓝牙技术(BLE)将有助于开启零售数字化转型的下一阶段,为商店和购物者提供更好的零售结果。根据 ABI Research 的数据,到 2 年,估计将安装 3.44 亿台 ESL 设备,市场潜力巨大。
 
图:电子标签示意 图片来源:bluetooth.com

电子货架标签(ESL)是一种由电池供电的小型电子纸(e-paper)显示器,用于在货架边缘显示产品和价格信息,以取代纸质标签。ESL使用无线技术与中央集线器通信,以此来组成一个动态的定价自动化网络。

相比传统的零售货架依赖易出错的纸质标签,依靠人工手动进行价格标注,在一天之中可能需要多次进行标签更换。人工库存管理也会减缓运营速度,对缺货情况响应不及时。电子货架标签(ESL)可以为消费者简化货品拣选和执行,同时还可以加快货架补货速度。根据统计,有些商超每天80%的时间会花费在更新纸质标签上面,电子货架标签(ESL)解决方案能帮助实体店全面自动执行定价策略,实时更新价格显示,实现无缝的全渠道零售,还能有效提升2-5%销售额。因此,电子货架标签正在成为未来零售、仓储管理的新应用趋势。

2023年1月31日,蓝牙技术联盟公布了5.4版的技术规范,极具针对性的引入了4项新特性,支持带响应的周期性广播(PAwR)、支持加密的广播数据(EAD)、LE GATT 安全级别特征、动态广播编码选择(CSSA )
 
图接入点和多个 ESL 设备之间通过多个子事件进行的交换数据的过程

带响应的周期性广播 (PAwR) 功能定义了一种新的蓝牙 LE 逻辑传输,旨在支持多种新的设备通信方案,包括集线器需要与数千个终端节点保持双向通信的情况。与其他蓝牙广告模式相比,它支持双向应用数据通信。PAwR功能的一个关键用例就是快速增长的电子货架标签(ESL)市场。
 
结合前面的Auracast功能来看,蓝牙的触角已经延伸到零售仓储应用,开发人员希望蓝牙技术能够在这一市场占有重要地位。

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