我的電子情人夢(17) – 藍芽(Bluetooth)追擊令

2020年，藍芽(或說藍牙)有新規範–《LE Audio》。當然，這與時代的社會背景有一定的藕合關係。LE就是”Low Energy”縮寫，低功耗、低耗電之意；這兩個英文字在藍芽領域，地位相當重要。

細說藍芽《LE Audio》，無妨從產品的面向來切入。

甚麼東西當前最夯產品之一？也許是藍芽”真無線”耳機；產品多，與之關連的公司股票也漲。IT廠商進入音頻領域耳機市場，不算稀奇，當前可以說是百業闖入、百家爭鳴，東西多到讓人看不完。奢華界翹楚LV也趁勢推出很LV的藍芽耳機，內在卻是與美國耳機廠牌Master & Dynimaic的合作，定位錢多多客戶群。

這裡頭，有個關鍵字”真無線”(True Wireless)。可是以前的藍芽耳機或是藍芽接收器也是無線傳送呀，難道是”假無線”。當然是不會，那麼，昔日的無線與今日的”真無線”這裡面一定有故事。

姑且從初始來說起吧。

藍芽技術，初始於愛利信(Ericsson)的1994年方案，1999年官方規格1.0版公布。藍芽技術歷經了這段歲月的淬鍊演化到今天，最為人所稱頌讚美的突破之處，該是4.0版之後”Bluetooth Low Energy”(簡稱BLE或是說Bluetooth LE)的出現；誠如其名，『省電技術』就是最大的訴求點。

另外一個讚嘆點，就是針對IoT物聯網運用而來的”Bluetooth mesh”(5.0版之後)。

厲害的工程師搞出來的傑作，有時候玩爽自己、類垮眾生。話說藍芽的始末，可以追溯到1994年愛利信(Ericsson)發展出利用擴散頻譜頻率跳躍(frequency-hopping spread spectrum)技術的規範，簡稱為”展頻”。由藍芽官方組織Bluetooth SIG於1998將規格給正式化，也就是藍芽1.0版。歷經這麼多年走過版本進化的演變，來到了5.x版。這中間的變化細節，不算是很精彩，卻也是步步驚魂；不容易梳理清楚。

借問閣下知道究竟市面上藍芽版本共有幾種嗎？或在意或懶得去管它，都是眾生的自由。若是能夠在掏錢買東西時，多做一點功課總有好處吧，也對得起你的孫中山。畢竟，任何IT新技術難免多要經歷”白老鼠驗證”的歷程；比如說，介面王USB也是歷經1.0、1.1版的多年孤寂，到了USB 2.0版之後才逐漸開花結果的。

藍芽規範版本的進化，摘要歷程大致上是這樣子的：

*. 版本1.0暨1.1暨 1.2。(1998/2002/2003)

*. 版本2.0 暨 版本2.1 + EDR。(2004/2007)。EDR是”Enhanced Data Rate”縮寫。

*. 版本3.0 + HS 版本。(2009) 。HS是”High Speed”簡稱。

*. 版本4.0 暨 版本4.1暨 版本4.2。(2010/2013/2014)

*. 版本5.0 暨 版本5.1。(2016/2019)

*. 版本5.2。(2020)。新型“ LE Audio”採用高音質LC3編解碼器。

即使藍芽是無線傳輸介面，可以連接的裝置當然很多；所以，存在著不少的功能規範(profile)；無妨視為裝置類別的概念。藍芽甚至，可以建立起小小網路呢；只是，很少人如此用。真正讓藍芽大放異彩、大顯身手的是”音頻的世界”。

音頻的輸入如麥克風，音頻輸出如喇叭(揚聲器)等。以個人的使用情景來說，電腦背景音樂聆聽喇叭從藍芽2.x一路用到5.x。

回顧舊塵往事，當藍芽出現之時，我的心坎裡所喚起的期盼， 當屬家庭劇院DVD AC-3(Dobly Digital) 5.1聲道的”後置喇叭”終於有機會可以解放佈線的大困擾了。很遺憾，運用藍芽這件事並沒有發生。

反而是平面電視尺寸越做越大，也順勢帶來一類產品 ”Soundbar”(聲霸)；通常，具有藍芽傳送的功能。然而，這類產品的開山祖師可以回溯到Yamaha於2004年底推出的驚天之作YSP-1。

Yamaha將該技術稱為”數位聲音投射”(digital sound projector)。簡單說，『這是透過真實聲音的反射來產生環繞音效的一種模擬技術』。讓一堆劇院喇叭的複雜佈線，一掃而空，連接上乾淨俐落。即使我是此技術的擁護者，也必須坦白說真實的環繞音效是模擬方式根本比不上的。

21世紀初，很早就出現藍芽喇叭以及藍芽接收器。其中，藍芽接收器本身附有耳機孔，可以接聽立體音樂。我大約就是在藍芽2.0的時候開始使用喇叭與接收器，不過，那時候產品的音質表現實在普普通通。當走動時遇到障礙物或是稍微有點距離還會斷訊呢？

算是題外話吧，個人第一個購入的藍芽喇叭是Sony Erricson的隕石狀工業設計的絕美之作；聲音超級普普，擺著當作”裝置藝術”來欣賞，心清氣爽。

若是就單純使用經驗來說，都是在電腦前方工作時聆聽串流鋼琴背景音樂，歷經藍芽2.x、3.x、4.x與5.x的小型單聲道喇叭，基本上都少有斷訊的問題。音頻這類裝置，通常只要產品設計與電子元件用料有下功夫，皆有一定的實力。

回想約2017年左右， iPhone7取消了3.5mm耳機插孔之後，帶動藍芽耳機市場的另一波。也就出現了所謂”TWS(True Wireless Stereo)”藍芽耳機，好比說AirPods。

這個TWS就是當前所宣稱的”真無線”，意思是說左耳塞以及右耳塞，完全沒有連接線的存在。

而有趣的地方，就存在於藍芽對於左右聲道的無線接續方式。

基本上來說，有”中繼”的方式以及”左右獨立接收”的方式。

這兩者連接上細節的差異，如下圖所示：

在《LE Audio》尚未出現之前，藍芽傳送是”單串流(stream)”的方式。因此，傳送立體聲是連接到主耳機，再由主耳機以無線方式連接到副耳機；也就是上圖(右)的中繼方式。不過，約在2018，高通推出了左右獨立聲道傳送的方案；卻是必須搭配高通藍芽晶片以及指定高通處理器的手機，才能運用。

不難體會或是揣測出左右獨立的接受方式，電波相對不會經由頭部，左右耳塞同時接收，接續上安定。而且，看影片或是電玩視聴之際，影像與聲音也比較同步，是其優點。

而，《LE Audio》採用了”多串流”的方式，又納入新式的編碼(coding)技術，應用層面就可以大大發揮。左右聲道獨立傳輸小事一樁，運用”群播”(broadcast)的方式可實踐多人”音頻分享”的境地。

是故，藍芽官方乾脆就將藍芽音頻劃分為兩類：

. 傳統經典音頻(classic audio)。

. 低功耗音頻(LE Audio)。

若是開發進程順利，《LE Audio》的產品很快就會問世，在2021或2022該是可以見到。

AI世紀，帶來STEM(Science‧Technology．Engineering‧Mathematic)社會教育的環境(坦白說，我認為品德教育更為重要)。認識閱讀一些技術專有名詞，或許有點需要。

一般藍芽音頻產品，會註明支援的藍芽規格版本，比如說Bluetooth 5.0等。而且，還會描述兩項很重要的支援參數。個人建議是無妨認識一下，有好無壞。

第一，就是支援的”編碼”方式。好比說，對應LDAC、AAC、SBC等。

第二，支援的”功能規範”(profile)。比如說，HFP、A2DP、AVRCP等。

編碼技術涉及到”位元率”，對於音質的表現有所影響。當然，傳送方以及接收方都必須等同支援，才能運用。

SBC，是藍芽採用的標準音訊編碼技術，所有的裝置都會支援它。

AAC，係基於MPEG-2音訊編碼技術，用來取代MP3。iOS裝置採用之方式。

LDAC，係專為傳輸高解析音樂所開發的音訊編碼技術；可說是Android裝置優秀的音頻格式。

此外，市場上還常見到AptX的編碼技術。AptX，係高通的編碼技術，高通擁有其專利權。

《LE Audio》採用了新的編碼方式 – LC3(Low Complexity Communications Codec)。LC3威力如何，繼續看下去。

至於支援的功能規範(profile)，稍微棘手；略知攸關音頻的關鍵項目就足夠矣。

一般，常見到會支援諸如A2DP、AVRCP、HSP、HFP等。

A2DP (Advanced Audio Distribution Profile)，是最為重要的規範。想用無線立體耳機或是無線立體聲喇叭來聆聽MP3或是其他來源的音樂，就必須支援這個Profile。此Profile僅集中於音頻串流。因此，市面上的音樂用耳機或是藍芽喇叭，都會支援這個A2DP。

AVRCP(Audio/Video Remote Control Profile)，添加媒體播放的控制，例如跳過曲目，播放/暫停和音量控制等。

HSP(Headset Profile)，耳機規範；係提供手機行動電話與耳機之間通訊所需的基本功能。

HFP(Hands-free Profile)，免手持裝置之規範；比如，利用免持聽筒來進行電話交談與操作手機。

藍芽規格範疇，野心不小，延續USB那一套裝置類別(device class)的區分規範(盤古開天SCSI就建立起這個概念)，藍芽稱之為『裝置功能規範(Profile)』，若是要活用藍芽，不認識這些Profile，必然難以靈活運用。

印象中，Windows 10最早期並沒宣稱支援藍芽3.x，箇中的原因該是這個版本的功率消耗太高。而針對IoT應用的5.x，擴展了傳輸素速率以及傳送距離。

藍芽技術規範的一大轉捩點，乃是在版本4.0之後除了傳統藍芽之外，出現了”高速藍芽”(Bluetooth HS)以及”低功耗藍芽”BLE(Bluetooth Low Energy)。

尤其是穿戴式裝置當道的時代，這正是BLE可以發揮的場所；也是好應用的關鍵分水嶺。

2017年7月藍芽技術聯盟(Bluetooth Special Interest Group)宣告藍芽技術開始支援”網狀網路”(Mesh Network)。好奇它與Wi-Fi的未來競合關係又會是如何呢？

不過，也必須指出一件事。就在2018/7/23，美國CERT/CC公開發表了Bluetooth機器之間的配對(pairing)處理脆弱性(CVE-2018-5383)。具體說，就是在Diffie-Hellman金鑰交換時之”中間者攻撃”的手法。在這個方法中，要配對的兩個裝置分別準備私密金鑰和公開金鑰組成的密鑰對；在配對開始時先交換相互的公開金鑰，使用私密金鑰和對方的公開金鑰，來產生後續通信用的共享密鑰。

問題就出在，在藍芽規範中，對於收到的公開密鑰是否合適的驗證行為僅是建議而已，驗證的執行不是必要條件。若是在未經驗證的情況下實施藍芽時，存在於通信距離範圍內的攻擊者，可以將未經授權的公開密鑰注入正在配對的裝置中，獲取私密金鑰的機率就很高。一旦可以獲取私密金鑰，攻擊者就可以攔截和篡改通信內容了。

毫無疑問，物聯網的”安全性”議題，至關重要。

2017年，藍芽開始具網路支援的「Bluetooth mesh」。

Bluetooth mesh，可以落實”多對多(m:m)”之間裝置的通信。它可以大規模地來構築最佳化的裝置網路；比如說，建築物自動化系統或是感應器網路。若要實踐資産追蹤，可能就要數十、數百甚上千個裝置，能夠安全地具高信頼性地相互通信。

換句話來說：就是以”網狀網路”(mesh network)的概念來實踐IoT的方案技術。

可以這麼說，藉由「Bluetooth mesh」，智慧型家居和辦公室智能系統，比如照明、空調設備、安全性，都可以創造新的利用周圍環境的機會。即使工業用無線感應器網路的効率也可以向上提升。這也就是作為大規模裝置網路架構的基盤。

那，何謂網狀網路(mesh network)？它的基本單位就是”結點(node)”，也就是各個網路中的裝置。每個結點可以傳送或是接收訊息。若是從結點到結點之間有了資訊的中繼，即使電波通常難到達的地方，也可以送達訊息。於是乎，布滿有如網狀般的結點，能夠在企業用地、製造設施、辦公大樓、瞎拚中心等，展開運用。

無線應用有大未來。

今天的無線產品裝置通常內建包含有多種無線技術。比如說，智慧型手機中通常具有藍芽，WLAN和LTE功能。5G也來到。

因此，各種無線技術之間的”互操作性”(Interoperability)，就是很重要的議題。好比說，藍芽與LTE頻帶的接近。Bluetooth 5為了加強抗干擾的能力，導入了一種SAM (Slot Availability Mask)的機能。

簡單說，SAM就是要使藍芽裝置能夠相互指示哪些時間空隙可以用於接收和發送。具體說，在LTE活動期間將時間空隙標記為不可使用，因此，與LTE互操作性就得到了很大的改善。

Bluetooth mesh有基本安全性的要求。比如說，所有訊息(message)都是要加密和授權、密鑰可以在網路中更新、可以防止”重放攻擊”(replay attack)、節點加入網路也經過加密流程、節點的刪除也有安全性流程來防止別人拆解取得訊息 。

歷經了二十年的歲月淬鍊，藍芽裝置的出貨量非常可觀，而且穩定。據稱估算到了2021年，大約有480億個上網際網路的裝置；而其中三成會具有藍芽通信的機能呢。

Bluetooth mesh的潛力，也許該正面觀之 !