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低功耗藍牙「升」勢不小
短距無線通訊技術爭鳴 競逐穿戴市場

鄭志全 文章摘錄自第1819期

短距離無線通訊技術不斷在傳輸速率與用電耗損上尋求突破,帶來的直接影響是人們可以隨時隨地、簡便地享受網路服務帶來的便利。

物聯網(IOT)一詞,堪稱近年最盛行的科技流行語,或許因為它涵蓋的範圍太廣泛,對於多數不曾接觸過相關產品和應用的消費者來說,物聯網的概念看似清晰又十分模糊。今年四月,蘋果即將推出首款穿戴式裝置Apple Watch,很可能讓我們開始認識什麼是物聯網,穿戴式裝置就站在物聯網的第一線,等待蘋果Apple Watch為市場帶來新的驚喜。

短距無線傳輸各擅勝場

物聯網的整體架構,大致分為感知層、網路層與應用層三個層次,其中網路層主要負責產品資訊的交換、溝通工作,即收到數據之後負責傳送的功能。以涵蓋的範圍作分類,大致分為:WAN(廣域網路,如3G、LTE)、LAN(區域網路,如WiFi)以及PAN(個人區域網路)。

進入物聯網時代,網路層的工作又分為外部網路與內部網路,外網指的是手持裝置所使用的網路,如3G、4G等行動通訊網路,必須與數公里以外的基地台連結;內網則是裝置與裝置間較短距離的無線傳輸,通常屬於PAN的範疇,此類技術僅需對小區域使用範圍做適當的通道規劃,多數建立在免使用費的ISM頻段。

因應物聯網時代可能衍生多種應用與產品類型,目前包括藍牙、ZigBee、ANT、NFC等技術各有所長,都在傳輸速率與用電耗損上尋求突破,而穿戴式裝置礙於體積及產品型態的限制,本身不能做太複雜的運算,多數運算必須連結手機執行,因此省電是產品設計時的主要考量。

在二.四GHz傳輸技術當中,藍牙低功耗(Bluetooth low energy,BLE)是極為成功的版本,BLE擁有智慧型手機、平板電腦原生支援藍牙技術的優勢,只要下載相關App,就可將周邊藍牙裝置收集到的數據,透過手機傳送到雲端,或是直接從手機上讀取。以最新BLE四.二版本為例,最大操作電流不會超過十五mA,足以讓Apple Watch等穿戴裝置擁有更長的使用時間。

和BLE一樣,ANT或ANT+也具有超低功耗的特性,此類技術可以定義不同產品的裝置參數,如心律、速度、力量、重量等,以便互享感測器收集到的數據資料。ANT技術多數應用在運動健身、醫療照護及各式穿戴裝置,但市面上許多智慧型手機或平板電腦並不支援ANT協定,因此多以ANT+BLE雙模晶片來設計上述產品。

即便BLE已經成為穿戴裝置的主流技術,仍有其使用上的侷限,特別是點對點的傳輸方式,網路節點數較少,無法同時連接多台設備。而近幾年開始嶄露頭角的ZigBee協定,同樣是基於PAN應用,未來可能廣泛應用在智慧家庭,如近期小米發表智慧家庭套裝產品,即是採用ZigBee技術。

ZigBee一詞源自於一種蜜蜂的肢體語言,以短距離、低功耗、低成本、能夠自我組網為主要特點。一個ZigBee閘道器可以同時連接數萬個設備,組成多個穩定網路,相較於WiFi、藍牙,資訊不易被擷取,更具安全性。即便傳輸速率較低,ZigBee足以滿足大量智慧設備同時進行工作,未來將應用在需要多個網路節點的智慧家庭或工業自動化市場。

此外,因應電子錢包、行動支付的潮流興起,NFC已經成為不可或缺的主流技術。NFC技術具備讀寫、卡片模擬、點對點傳輸等功能,採用近距離感應的通訊模式,不易受干擾,裝置之間可以迅速完成資料交換,未來在講求效率的行動支付應用上較占優勢。

從應用面的角度來看,智慧穿戴裝置主要訴求資訊娛樂、運動健身、醫療照護以及工業軍事等用途,今年穿戴式裝置勢必成為科技公司的新戰場,可能直接促成藍牙晶片出貨量快速攀升。

以往藍牙技術進化的過程,主攻傳輸速率的提升,如高速藍牙(Bluetooth HS)速度為傳統藍牙的八倍。自從藍牙技術聯盟在二○一○年發布藍牙四.○標準規範,改善了高耗能的問題,藍牙技術的演進開始訴求超低功耗、高速傳輸的表現,未來無法與低功耗藍牙相連結的藍牙晶片,很可能逐漸在市場上銷聲匿跡。

低功耗藍牙技術的一大特點在於開發出單工與雙工模式(Single Mode & Dual Mode),單工模式可以透過簡易的裝置搜尋,實現低成本、低耗電的連線傳輸;雙工模式可以根據需求切換高速或低耗電的運作方式,主要應用在需要連續性傳輸資料的裝置上,如高通、聯發科(2454)的手機基頻晶片便整合了雙工模式的藍牙晶片。

BLE市場規模激增

Single Mode藍牙晶片主要應用在藍牙周邊市場,終端產品充滿著各種可能性,例如搭載低功耗藍牙晶片的血壓計、血糖儀、計步器、計程器、益智類玩具、智慧手錶等等,皆可與智慧型手機互聯,下載相關App應用及內容。對科技大廠來說,發展短距離無線傳輸技術的重要意義,在於讓使用者可以隨時隨地享受網路服務帶來的便利,讓網路化的生活更加普及。

藉由蘋果發表第一款穿戴式裝置Apple Watch,物聯網概念可望在二○一五年掀起第一波熱潮。姑且不論市場評價如何,Apple Watch的誕生,可能帶出一個新的發展趨勢:未來品牌大廠推出穿戴裝置、智慧手錶等新應用產品將更為密集,並且吸引更多製造商利用藍牙低功耗技術投入藍牙周邊市場,帶動相關智慧配件出貨量持續高速成長。