看好物聯網市場發展潛力，藍牙技術聯盟相繼推出藍牙5和藍牙Mesh技術，不但可以傳輸得更遠、更快速，同時還包括更大的傳輸容量。本文將深入剖析藍牙5標準的技術特性與市場應用情形。
2016年12月，藍牙技術聯盟正式宣布推出新一代的藍牙核心規格版本「藍牙5」(Bluetooth 5)，主要更新包括更遠的傳輸距離、更快的傳送速率、更大的廣播訊息負載量，以及與其他無線技術的互通性和共存性的提升。
藍牙5在藍牙4.2核心規範上大幅提升效能，包括4倍傳輸範圍擴展、2倍傳輸速率提升以及8倍廣播資料擴展。此外，還能協助減少藍牙與其他無線技術之間的潛在干擾，確保藍牙設備能夠在日益複雜的全球物聯網環境中與其他各類設備並存。根據研究機構ABI Research資深分析師Ryan Martin的預測，2021年全球聯網裝置安裝數量將高達480億，其中有將近三分之一的聯網裝置將具備藍牙技術。而2017年年初時，三星發布的Galaxy S8也成為消費者手中第一款應用藍牙5技術標準的智慧型手機。
藍牙自從90年代中期面世以來，始終專注於通訊連接技術。從最初主要應用於手機和耳機之間語音通話的配對，到後來的立體聲音訊，藍牙技術聯盟非常重視這種點對點(1：1)的連接能力－「配對」是藍牙體驗的核心，而藍牙5的目標就是繼續提升用戶體驗。
藍牙5帶來了傳送速率、傳輸範圍的升級，而前一代的藍牙4.0同樣帶來了一系列革命性的變化，尤其是低功耗應用的導入，讓藍牙的一對一連接效能提升。透過藍牙將手機連接到耳機、喇叭、汽車等，這些功能受到廣大消費者青睞。
除此之外，藍牙近期也因為具備一對多的廣播傳輸能力而備受矚目。這種一對多(1：M)的連接能力使藍牙5效能更強，在廣播時能夠提高8倍的資料傳輸量，將讓使用藍牙Beacon的服務更加智慧、功能更加強大。
舉例而言，以往在零售商店中使用的Beacon可為附近的產品發出廣播，推送優惠券。而使用藍牙5後，Beacon不但可以透過廣播發送優惠券，還能發送商店地圖以協助使用者了解產品的確切位置，甚至發送包含更多商品資訊的URL連結，以及商品剩餘庫存的詳細資訊等。
雖然廣播並不是藍牙誕生之初就有的功能，但目前廣播已成為藍牙體驗的核心，而藍牙5的升級將再接再厲，讓更多的廣播應用程式變成可能。
容量/速率/覆蓋範圍升級 藍牙5核心規範變身
藍牙5在藍牙4.2核心規範上大幅提升效能，包括4倍傳輸範圍擴展、2倍傳輸速率提升以及8倍廣播資料擴展。
以下我們將從理論的角度深入探討藍牙5和先前版本的藍牙低功耗資料傳輸量有何不同。
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| 圖1 一個設備到對等設備的低功耗藍牙連接完整傳輸週期 |
對於無線連接，有一些傳輸成本用於鏈路維護和資料包冗餘，以保持藍牙連接的穩定性和高效能。對於藍牙低功耗連接，從一個設備到對等設備的完整傳輸週期如圖1：
因此，用於連接的藍牙低功耗資料吞吐率的計算公式為：
當建立連接時，我們能夠用此公式計算從藍牙4.0到藍牙5的資料吞吐率。
藍牙4.0/4.1版本
藍牙4.0/4.1具有相同的低功耗資料包格式和相同的調製速率，即1Mbit/s，這意味著發射機具有在一秒內發送1Mbit的能力。
從圖2中可以看出，長度欄位長度為5位元(Length顯示；5位元等於二進位的0b11111、十六進位的0x1F、十進位的31)，它可以表示0~31的數值範圍，指示有效載荷和MIC(如果包含)的長度。
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| 圖2 藍牙4.0/4.1鏈路層資料包的資料包格式、PDU格式 和訊框標頭格式 |
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| 圖3 藍牙4.0/4.1的一個完整傳輸週期圖 |
有效載荷欄位的長度應小於或等於27個位元組，因為MIC長度為4個位元組，31-4=27。
圖3是一個完整的週期圖，從中可以看出一個完整週期包括：
「R時槽」
最小訊框長度為10個位元組，因為：
最小訊框PDU的長度=1+4+2+3=10個位元組。
1Mbit/s速率下，它將消耗80μs，因為：
「T時槽」
最大資料包長度為：
1+4+2+27+4+3=41個位元組
它將消耗328μs，因為：
藍牙4.0/4.1資料吞吐率計算公式為：
藍牙4.2版本
對於藍牙4.2，調製速率與4.0和4.1版本相同，仍為1Mbit/s。但資料包格式不同，區別如圖4所示。
從圖4中可以看出，長度欄位的長度為8位元(Length顯示，8位元等於二進位的0b11111111、十六進位的0xFF、十進位的255)，它具有0到255個位元組，其指示了有效載荷和MIC(如果包括)的長度。有效載荷欄位的長度應小於或等於251個位元組，因為MIC長度為4個位元組，255-4=251。
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| 圖4 藍牙4.2鏈路層資料包的資料包格式、PDU格式和訊框標頭格式 |
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| 圖5 對比藍牙4.0/4.1和藍牙4.2的完整傳輸週期圖 |
圖5是一個完整的週期圖，從中可以看出一個完整週期包括：
「R時槽」
它與v4.0/4.1相同，為80μs。
「T時槽」
最大資料包長度為：
1+4+2+251+4+3=265個位元組
它將消耗2120μs，因為：
1+4+2+251+4+3=265個位元組
藍牙v4.0/4.1資料吞吐率計算公式如下：
藍牙5
對於藍牙5，調製速率有兩個選項。一種是1Mbit/s，就如同藍牙4.0/4.1/4.2；另一種則是我們接下來將討論的2Mbit/s。
從藍牙4.2到藍牙5的資料包格式是相同的：有效載荷是251個位元組。所以1Mbit/s速率下藍牙5的資料輸送量1Mbit/s速率下的藍牙4.2相同。
但是啟用2Mbit/s後就不同了，圖6中可以看到這一點。
圖6是一個完整的週期圖，從中可以看出一個完整週期包括：
「R時槽」
空白PDU的長度為10個位元組：
空白PDU的長度=1+4+2+3=10個位元組。
2Mbit/s的速率下，它將消耗40μs，因為：
T_IFS, 150μs
「T時槽」
最大資料包長度為：
1+4+2+251+4+3=265個位元組
它將消耗1060μs，因為：
藍牙5資料吞吐率計算如下：
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| 圖7 藍牙4.0/4.1、藍牙4.2和藍牙5低功耗輸送量的差異 |
就理論上的藍牙低功耗輸送量，圖7清楚說明低功耗藍牙各個版本之間的差異。可以看到藍牙5的頻寬比4.0/4.1版本高4.6倍，比4.2版本高約1.7倍。更高的頻寬可以轉化為更高的速度，這將使得藍牙低功耗能比以往更快速地傳輸資料，更高效又占用更少的頻段，因而更適用於快速資料傳輸。對於OTA升級或穿戴式裝置資料日誌同步等應用，藍牙5將再次顛覆用戶體驗，而更高的速度也將為未來高資料速率傳輸奠定基礎。
藍牙5傳輸範圍到底有多遠？
事實上，藍牙技術在4.X版本都具備低功耗藍牙技術的特點，其傳輸範圍其實遠大於我們的想像。在充滿著人潮和樹的次優無線通訊環境中進行非正式測試，使用基本的Android智慧手機和低功耗藍牙MCU，結果顯示智慧手機從MCU成功接收藍牙通知的距離可超過350公尺。市場上有些商用藍牙模組的資料表顯示，其傳輸範圍能達到500公尺(圖8)。
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| 圖8 在次優無線通訊環境進行非正式測試的數據結果 |
既然藍牙4.X版本的低功耗無線通訊技術傳輸範圍非常可觀了，為什麼還要做進一步的改善呢？
舉智慧家庭為例，試想在廣闊的家居環境中，每個房間、牆壁、地板下、閣樓和每個門窗中，以及室外的戶外燈、花園裡、周邊圍欄和大門上都安裝了各種類型的感測器；照明、暖氣和空調等系統，都由藍牙控制。這就是真正的智慧家庭，能監測自己的使用情況、安全狀態、能源效率等，並支援關鍵系統和設備的自動和手動控制。
智慧家庭對無線技術有很大需求，必須要能夠覆蓋整個家居環境。實現這一點的方式之一是確保通訊設備之間充足的點對點距離，即使訊號會由於通過家中牆壁等常見的物理屏障造成衰減。
通訊系統通常以下列兩種策略來處理錯誤：
1.錯誤檢測
接收機有多種方法來檢測錯誤。幾十年前同位檢查位元率先應用於紙張和磁帶系統中，有線串列通訊系統仍然依賴於同位檢查位元，以允許接收器檢測是否有一個或多個位出現了解碼錯誤。
還有幾種類型的驗證可供使用。藍牙使用一種稱為循環冗餘校驗(CRC)的驗證方式，所有資料包都具有由發射機為其計算並附加的24位CRC值。接收器重新計算CRC，並將計算所得的值與附加到資料包的值進行比較，如果兩者不同則表示發生錯誤(圖9)。
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| 圖9 循環冗餘校驗(CRC)驗證方式 |
在檢測到錯誤的情況下，系統可以以一種或兩種不同的方式進行回應。它們可能認為錯誤是致命的，而直接放棄通訊；或者請求或暗示發射機再次發送資料，以期之後的嘗試能夠成功。藍牙4.X和藍牙5核心規格版本的CRC驗證失敗時，都會通過告知鏈路層的資料包，讓發射機重傳數據。未能接收到確認，將導致發射機再次發送資料。
2.糾錯功能
低功耗藍牙版本4.X版本不執行糾錯，只有錯誤檢測。而藍牙5不僅能夠在接收機端檢測錯誤，而且在特定條件下還可以進行糾錯，使接收機無需向其重傳資料。
使用高級糾錯技術校正錯誤的主要優點是資料可以較低的訊號雜訊比(SNR)、在距發射機更遠的距離處被正確地解碼。
假設在特定傳輸範圍內產生了最大位元誤碼率(BER)，而未採取任何形式的糾錯。但藍牙5能「神奇地」糾正一些或所有錯誤，從而降低BER(但BER仍有可能達到最大允許值)，因此能實現了全新、更長的有效傳輸範圍。