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        藍牙咬緊“低功耗”物聯網

        本文作者:編輯部       點擊: 2023-05-31 11:48
        前言:
        藍牙已經快要25歲了
        藍牙從誕生至今已經近25年,這個最初用來連接耳機的標準,已經先后經歷了五個大版本和十多次小版本的升級換代,成為今天數字生活中不可缺少的無線通信功能之一。

        1998年,藍牙誕生,同年10月19日發布0.7版;
        1999年,7月,藍牙1.0A版本,也是第一個正式版面世;單工傳輸,易被干擾,傳輸速率為723.1kbps
        2003年,11月,藍牙1.2版發布,自適應跳頻和快速連接功能讓藍牙設備數量開始快速增長,傳輸速率達到1Mbps;
        2004年,11月,藍牙2.0版本發布,全雙工傳輸,最大數據傳輸速度提高到3Mbps;
        2007年,8月,藍牙2.1版本發布,優化了藍牙設備的功耗,提供NFC配對機制,將待機時間成倍提升;
        2009年,4月,藍牙3.0版本發布,藍牙最大數據傳輸速度提升8倍,達到24Mbps;
        2010年,7月,藍牙4.0版本發布,首次推出了低功耗藍牙BLE標準,藍牙進入雙模標準時代,同時進一步優化了傳輸速度,功耗、兼容性,并將傳輸距離延長至50米
        2013年,12月,藍牙4.1版本發布,引入IPv6規范,使得藍牙設備接入能力進一步增加,并解決了與4G網絡的干擾問題;
        2014年,12月,藍牙4.2版本發布,增加了數據傳輸速度,改善了藍牙的安全性,至今仍有大量4.2版本設備在使用中;
        2016年,6月,藍牙5.0版本發布,最大傳輸速率達到48Mbps;將藍牙設備的最大傳輸距離擴展到300米,針對室內導航和物聯網進行優化,增加很多面向新興應用的功能
        2017年,藍牙5版本增加了Mesh網絡功能
        2019年,藍牙5.1版發布,加入測向(AOA)功能和厘米級別的定位功能,主要用于室內定位和物品防丟;
        2020年,藍牙5.2版發布,為TWS耳機進行優化,如LE同步信道,增加多音頻流支持,增強版ATT,LE功率控制;
        2021年,7月,藍牙5.3版發布,提升低速連接能力,對開放設備增加加密能力,提升抗干擾和電池續航時間等;
        2023年,1月,藍牙5.4版本發布,針對電子標簽功能進行優化

        從藍牙4.0版本開始出現的雙模功能,兩種無線電的選擇,為開發者提供了一套多功能的全棧式、適合目的的解決方案,讓藍牙設備進入了更為廣泛的市場。

        Bluetooth®經典(Classic):Bluetooth Classic無線電,也被稱為Bluetooth 基本速率/增強數據速率(BR/EDR),工作在2.4GHz非授權工業、科學和醫療(ISM)頻段的79個頻道上進行數據流。支持點對點設備通信,Bluetooth Classic主要用于實現無線音頻流,已成為無線揚聲器、耳機和車載娛樂系統背后的標準無線電協議。Bluetooth Classic無線電還能實現數據傳輸應用,包括移動打印。
         
        圖:低功耗藍牙堆棧 圖片來源:bluetooth.com

        Bluetooth®低功耗(LE):是為非常低的功率操作而設計的。Bluetooth LE無線電在2.4GHz非授權ISM頻段的40個信道上傳輸數據,為開發者提供了巨大的靈活性,以構建滿足其市場獨特連接要求的產品。Bluetooth LE支持多種通信拓撲結構,從點對點擴展到廣播,最近又擴展到廣播。 mesh,使Bluetooth 技術能夠支持創建可靠的、大規模的設備網絡。雖然最初以其設備通信功能而聞名,但Bluetooth LE現在也被廣泛用作設備定位技術,以滿足對高精度室內定位服務日益增長的需求。Bluetooth LE現在包括一些功能,使一個設備能夠確定另一個設備的存在、距離和方向。

        同樣情況也延伸到音頻領域,出現了Classic Audio(經典音頻)和LE Audio(低功耗音頻),經典音頻在藍牙經典無線電上運行,而 LE Audio 在藍牙低功耗無線電上運行。LE Audio 不僅支持開發與經典音頻相同的音頻產品和用例,還引入相當多的新功能,正在創建很多新產品和應用案例。
         
        圖:藍牙音頻雙模讓音頻應用更加靈活 圖片來源:bluetooth.com
         
        未來5年藍牙出貨年復合增長率達9%
        疫情帶來的變化,推動藍牙在不同解決方案的發展趨勢。例如,過去五年遠程辦公增加了44%,推動了個人電腦配件等需求的增長。此外,健康意識的提高也正推動智能手表、健康追蹤器等可穿戴設備的增長。根據ABI Research的研究,未來五年,藍牙設備年出貨量將保持強勁增長勢頭,預計到2027年將達76億件,復合年增長率為9%,更多新興應用進入快速發展階段。
         
        低功耗音頻有望超越經典音頻
        2022年7月發布的藍牙低功耗音頻(LE Audio)為藍牙最大的解決方案領域——音頻傳輸帶來了進一步性能增強。LE Audio引入了全新Auracast™廣播音頻功能。
         
        分析師預計,未來五年Auracast™廣播音頻的設備和其在公共場所的部署量將大幅增長,這將推動全新音頻體驗,提高藍牙音頻外圍設備的價值,并為助聽解決方案創造全新可擴展性選項,為音頻無障礙提供新機遇。預計到2030年,全球將有250萬個場所支持Auracast™廣播音頻功能。同時,Auracast™廣播音頻部署的增長也將直接影響LE Audio設備的采用速率。
         
        圖:未來五年,藍牙經典音頻將逐漸過渡到低功耗音頻 圖片來源:bluetooth.com

        2026年前后,將是低功耗藍牙音頻與經典藍牙音頻的分水嶺,屆時低功耗藍牙音頻將逐步成為市場主流。
        此外,行業專家還預測LE Audio將在助聽器中得到更廣泛的采用。LE Audio為助聽器提供更好的支持,提高聽力受損者的滿意度,為全球超過1億聽力損失者提供音頻援助。ABI Research預測,未來五年藍牙助聽設備的年出貨量將增長5.5倍。
         
        2022年9月,美國食品和藥物管理局設立了一類非處方(OTC)助聽器。現在,人們可以直接購買支持藍牙的助聽器,而無需體檢、聽力學家就診或處方。因此,分析師預計這個新的非處方助聽器市場將出現激增的增長。ABI Research 預測,到2027年,支持藍牙的非處方 (OTC) 助聽設備的年出貨量將增長5.5倍。

        電子貨架標簽有望成為全新的大批量市場
        隨著電子貨架標簽市場無線標準的發布,藍牙技術將協助零售業進行下一階段的數字化轉型,為商店和購物者提供更好的消費體驗。電子貨架標簽提供了精準的自動定價,并增加了對實時促銷和產品信息的訪問,提供更令人滿意且整合的全渠道體驗。預計到2027年,藍牙ESL設備的出貨量將達到3.34億臺。

        環境物聯網將有望顛覆市場預期
        環境物聯網是一個全新類別的藍牙追蹤解決方案,在不同行業將擁有超過10萬億臺設備的總目標市場。環境物聯網將顯著改善供應鏈,其早期發展重點是支持過期貨物的高速鏈,如食品、藥品和可回收資產等。藍牙技術的高普及度和成熟的生態系統,以及支持低成本標簽和接收器設備的能力,使其能夠最大程度地發揮環境物聯網的優勢。
         
        圖:藍牙位置服務設備,預期到2027年將達5.15億/年,復合年增長率為20%。
         
        隨著位置服務應用不斷擴展,預計到2027年,藍牙位置服務設備年度出貨量將達到5.15件。除此之外,在可穿戴設備健康照護、醫療、Mesh網絡,照明網絡,長距離傳輸(高達300米)等其他應用場景,藍牙的應用也在不斷深入。到2026年,藍牙健身和健康追蹤設備的年出貨量將達到1億件,智能手表2.1億件,AR、VR市場年復合增長率達51%,智慧眼鏡年復合增長率達68%!

        被寄予厚望的“殺手級”應用場景 藍牙5.3和5.4版的野心

        Auracast 為LE Audio拓展鋪路
        2022年6月,在藍牙5.3版本發布1年后,,藍牙技術聯盟于正式公開發布了新世代藍牙音頻(LE Audio)中廣播音頻的技術- Auracast™。這項技術可以使一個音頻源設備(如智能手機、平板電腦、電視或公共音響系統)向不限數量的音頻接收設備(如耳塞、揚聲器、助聽器等)廣播一個或多個音頻流。Auracast™廣播音頻為創新開辟了重大發展機遇,包括實現個人和基于位置的音頻分享。

        Auracast™基于低功耗藍牙(BLE)的周期性廣播(Periodic Advertising)技術,在廣播等時信道(BIG/BIS)上實現音頻傳輸。廣播等時信道在一般用途物理信道(共計37個)上以固定的時間間隔單向傳輸數字音頻流,一個廣播等時組(BIG)可包含最多31個廣播等時流(BIS),這些廣播音頻流使用不同的存取地址,互不沖突。
         
        相比經典藍牙音頻,Auracast具有低功耗(接收設備只接收信號,并不對外發射),數據安全,隨時可獲得,理論上在通信范圍內可以有無限多個音頻設備同時接收信號,最為重要的是,這些音頻信號不需要依賴互聯網,有點類似一個局部的mesh系統。因此,除了更加方便與朋友分享音樂,還可以方便商家發送廣告,公共場所發送重要通知,博物館、旅游地區接收導覽信息等等,為LE Audio開發設計人員拓展市場提供更多可行性。
        在最新發布的小米13手機中,已經開始支持藍牙5.3版的這些特性。

        5.4版本主攻電子貨架標簽

        隨著電子貨架標簽 (ESL) 市場的無線標準的引入,低功耗藍牙技術(BLE)將有助于開啟零售數字化轉型的下一階段,為商店和購物者提供更好的零售結果。根據 ABI Research 的數據,到 2 年,估計將安裝 3.44 億臺 ESL 設備,市場潛力巨大。
         
        圖:電子標簽示意 圖片來源:bluetooth.com

        電子貨架標簽(ESL)是一種由電池供電的小型電子紙(e-paper)顯示器,用于在貨架邊緣顯示產品和價格信息,以取代紙質標簽。ESL使用無線技術與中央集線器通信,以此來組成一個動態的定價自動化網絡。

        相比傳統的零售貨架依賴易出錯的紙質標簽,依靠人工手動進行價格標注,在一天之中可能需要多次進行標簽更換。人工庫存管理也會減緩運營速度,對缺貨情況響應不及時。電子貨架標簽(ESL)可以為消費者簡化貨品揀選和執行,同時還可以加快貨架補貨速度。根據統計,有些商超每天80%的時間會花費在更新紙質標簽上面,電子貨架標簽(ESL)解決方案能幫助實體店全面自動執行定價策略,實時更新價格顯示,實現無縫的全渠道零售,還能有效提升2-5%銷售額。因此,電子貨架標簽正在成為未來零售、倉儲管理的新應用趨勢。

        2023年1月31日,藍牙技術聯盟公布了5.4版的技術規范,極具針對性的引入了4項新特性,支持帶響應的周期性廣播(PAwR)、支持加密的廣播數據(EAD)、LE GATT 安全級別特征、動態廣播編碼選擇(CSSA )
         
        圖接入點和多個 ESL 設備之間通過多個子事件進行的交換數據的過程

        帶響應的周期性廣播 (PAwR) 功能定義了一種新的藍牙 LE 邏輯傳輸,旨在支持多種新的設備通信方案,包括集線器需要與數千個終端節點保持雙向通信的情況。與其他藍牙廣告模式相比,它支持雙向應用數據通信。PAwR功能的一個關鍵用例就是快速增長的電子貨架標簽(ESL)市場。
         
        結合前面的Auracast功能來看,藍牙的觸角已經延伸到零售倉儲應用,開發人員希望藍牙技術能夠在這一市場占有重要地位。

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