2013年5月16日 星期四

值得一讀與分享的BT 4.0 (BLE)低功耗藍芽介紹

勁達國際電子
藍牙4.0模組(蓝牙模块)供應商
Tel: 02-3234-0208

藍牙規範部分已於2014/2/1變更
詳請可參閱以下連結
http://raytaccorp.blogspot.tw/2014/01/bt40-40-201421.html


Quoted : http://www.technical-direct.com/tech/20101101-bluetooth.html

藍牙技術聯盟(Bluetooth Special Interest Group,SIG)於2010年6月底時推出了最新主打低功耗的4.0版本,並預計於同年底或2011年初將有相關產品上市。由於目前藍牙技術的市場接受範圍似乎仍停留在以2.1+EDR為主,究竟4.0新規格的出現是否會帶來什麼樣的改變,已成為眾所關注的焦點,本文僅就4.0的規格特色、應用方向以及整個近距離傳輸市場後續的發展重點進行介紹。
不可忽略的藍牙4.0規格特色—低功耗、高射頻與雙工模式
◎目前主流藍牙規格

藍牙4.0的核心技術規範包括了傳統藍牙技術(例如Bluetooth 2.1+EDR)、藍牙3.0高速技術(Bluetooth 3.0 + High Speed)與最新的藍牙低功耗技術(Bluetooth low energy)三類,而其中的低功耗技術便是4.0的最大優勢特色。藍牙低功耗技術宣稱能節省達近九成的電力,相當適合使用“鈕釦型電池”裝置的市場,因為該技術能使裝置在閒置時休眠、僅在需要傳輸檔案時才啟動藍牙功能,因此能有效的降低電力耗損,以有效延長這些裝置更換電池的時間,因此能應用於小型傳感器像是計步器、血糖記錄器的使用。
至於在過去一直不變的傳輸距離上,過往藍牙的傳輸距離大約為30英尺(10公尺左右),在藍牙4.0規格中的有效傳輸距離則可明顯提升至最高約200英尺(60公尺左右)。製造商可以自行根據產品屬性調整其射頻範圍,讓藍牙傳輸的應用範圍有效拉大。
值得一提的是,藍牙4.0中開發出所謂的單工與雙工模式(Single Mode & Dual Mode)。透過單工模式能經由簡易的裝置搜尋、可靠的單點對多點資料傳輸設計與更先進的省電技術與加密方式,達到以最低成本實現超低電耗連線傳輸的目的。而雙工模式的運作架構,等於是可以與不同的藍牙規格(例如2.1 + EDR或是3.0 + HS)相結合,使用者可根據需求切換高速或者是低耗電的運作方式。因此歸納來說,單工模式可應用在一些需長時間連結但非持續傳輸資料的裝置,而雙工模式則適合可能同時需要與不同類型產品(像是電腦或手機)進行傳輸的裝置。
也就是說,藍牙4.0的技術規範讓傳統藍牙技術、藍牙3.0高速技術與藍牙低功耗技術三者,不僅可以獨立存在、也可以共同運用。舉例來說,一台血壓感測器如使用雙工模式,便可運用藍牙低功耗技術持續記錄人體的血壓高低,但同時也可使用傳統藍牙技術將記錄下來的數據資料傳送到電腦或其他裝置上。
◎藍牙4.0的核心架構:圖左為藍牙基本設計架構、圖中央為結合低功耗的雙工模式、圖右為Wibree技術的設計架構。 

藍牙技術之市場現況
就市面上的主流藍牙規格來區分類型,分別是強調增強資料傳輸率的藍牙2.0或2.1+EDR、主打高傳輸速率的藍牙3.0+HS以及甫公布的新增低功耗技術的藍牙4.0。
儘管在2009年4月藍牙技術聯盟就已推出新版的藍牙3.0規格並主打高速度傳輸,事實上,市面上的產品仍以2.1+EDR版本為主流,包括消費者最常使用的藍牙產品像是耳機、手機或是電腦周邊指向裝置如鍵盤、滑鼠,幾乎都還是以2.1+EDR的規格為大宗,甚至是筆記型電腦也只有一些較高階機種為藍牙3.0+HS規格。以今年最熱門的平板電腦產品為例(參見附圖),即便是蘋果今年甫推出的iPad、DELL的首款平板電腦產品Streak、或是以生產黑莓機著稱的RIM即將要推出PlayBook,這些新概念產品,也仍採用藍牙2.1+EDR規格,只有Samsung的Galaxy Tab採用藍牙3.0+HS版本。
◎目前市面知名平板電腦產品之藍牙規格 
這樣的現象與其他標準規格一代一代汰舊換新、逐漸導入新規格的現象,似乎不太相同。原因究竟何在?市場一般認為,目前藍牙技術的應用多半落在消費者的個人小檔案傳輸,像是透過藍牙耳機收聽音樂接聽電話、或是透過藍牙滑鼠鍵盤使用電腦,這類的小型資料傳輸通常較不需要高速支援。此外,追求高速度的代價換來的是較高的成本與較多的電力耗損,在產品沒有相對的效能需求之下,對廠商而言這似乎不是一個最划算的選擇,再加上當相應的產品都依舊使用原本的規格時,單方面的升級也不見得是必要的作為。
藍牙4.0的發展方向--運動管理、醫療健康照護與家用自動化 
那麼接下來的藍牙4.0,是否能夠取而代之呢?從藍牙4.0規格包山包海的兼容性,看得出其野心勃勃的姿態,至於未來發展似乎目前我們還不得而知。事實上,藍牙4.0的低功耗技術,在設計之初,便主打醫療與健康監控等特殊市場,藍牙技術聯盟的執行董事Michael Foley於此一技術發表之初,便強調藍牙低功耗技術的產品應用將主要落在運動管理、醫療健康照護與家用自動化(sports& fitness, healthcare, home automation)幾個面向上。
所謂的醫療市場為何適合這樣的應用呢?試想一下,在醫院有許多精密儀器的環境,經常會有禁止使用手機的規定出現,這是因為手機這類的電波頻率,極有可能造成電磁的干擾而影響醫療機器運作或是病患的休養,更遑論即使同樣是醫療儀器,像磁振造影機(Magnetic Resonance Imaging,MRI)這樣高電耗的設備,就有非常高的機會干擾到維生儀器的使用。因此,在醫院這樣需要監控病患病理狀態與生命跡象的環境,對低功耗的傳輸技術就有高度且必要的需求。
除了醫療單位這樣的場域,也可將藍牙低功耗技術的應用拓展到居家照護、健康監控與運動管理的範圍。在家中休養的病患可以使用藍牙技術的病徵感應器,來追蹤其健康狀況,家人也無須再亦步亦趨的時時提心吊膽;想記錄自己健身成效的運動者,也可在使用健身器材的過程中,透過個人的計步器、脈搏機或是健身器材上的顯示裝置,傳送並記錄個人的運動狀況到自己的藍牙裝置如手機或筆電中。
由英特爾發起、並由許多不同醫療技術與保健機構成立的Continua健康聯盟(Continua Health Alliance),日前便已決議將低功耗的藍牙4.0納入皆下來的標準傳輸技術。目前已有許多採用藍牙技術2.1+EDR規格的醫療產品像是血壓計、血壓監測螢幕、和計步器等,通過Continua健康聯盟的正式認證,接下來隨著新技術的導入,預期將有機會逐漸出現更多藍牙4.0規格的認證產品。
藍牙技術發展重點  聽測試專家怎麼說
面對藍牙4.0新技術規格的發展方向,目前於知名測試諮詢機構百佳泰測試實驗室擔任電腦產品測試中心主任之一,並為藍牙技術聯盟官方認可的BQE(Bluetooth Qualification Expert)高振家先生,有以下幾點獨到看法:

首先,是藍牙傳輸的穩定持續性,在低功耗的架構下是否能不受影響。我們都知道藍牙傳輸採用的是2.4GHz ISM頻段,與水的共振頻率相同、同時也有可能受到同頻段的其他傳輸技術所干擾。為避免這樣的狀況發生,藍牙使用調節性跳頻(Frequency Hopping),以每秒跳1600次的方式在80個頻道中轉換以減少干擾的可能性。不過在低功耗的狀態下,任何資訊的傳遞將會更容易受到同頻段其他物質或技術的影響,因此針對藍牙4.0的技術架構,更加需要透過詳細完整的驗證,來確認各個藍牙產品的穩定傳輸品質。
再者,是實際應用上的落實,是否能符合原先設計的目的性。藍牙4.0規格的一大特色便在於可以通過低功耗的技術,長時間以最低耗電模式運作,以記錄持續性的資料。然而,不能忽略的是,藍牙技術在傳輸數據資料時,至多只能與七個從屬裝置相串連,若是同時傳輸數據與音訊資料,則只能與兩個從屬裝置串連,這樣的狀況便會造成相當程度的應用限制。也因此,藍牙採用拓樸(Topology)的方式,將更多裝置彼此相連,使資料能在更多的裝置間相互傳輸,透過多對多的網狀拓樸(Mesh Topology)與一對多的星狀拓樸(Star Topology)使資料能彼此傳輸。不過值得注意的是,若是應用於醫療系統或健康監測上,不僅是要持續記錄病患病理變化,也極有可能出現緊急回報特殊狀況的情形,在這種情況下低功耗藍牙的拓樸是否能同樣有效即時地傳遞資料,絕對是實際應用上的重點。
最後,是產品製造商對於將產品導入藍牙4.0新規格的作業程序瞭解度。高振家先生因為本身為藍牙技術聯盟認可的BQE,經常會有廠商詢問關於”如何獲得藍牙認證”這樣的問題。面對這樣常見的狀況,高振家表示,其實藍牙技術聯盟官方制定的申請規範相當完整,但也因為規範內容的嚴謹細緻,以致於許多廠商經常會有一知半解的狀況。
◎藍牙產品標準認證測試流程
過去藍牙認證的方式是讓通過認證的產品取得一組QPID(Qualified Product ID),但這樣的作法會造成儘管內部設計架構沒有不同,只要是產品外觀改變或更換型號,就要重新申請認證。因此,為避免這樣不必要的時間與成本支出,藍牙技術聯盟新的作法則是讓所謂的”產品設計”取得一組QDID(Qualified Design ID),讓同樣的產品設計可以應用在不同產品上,也就是說,若是生產三款使用同樣藍牙設計的產品,則這三款產品皆歸屬於這一組QDID。同樣的,藍牙技術聯盟官網上的列表方式,也就由過去的QPL(Qualified Products List)改分為QDL(Qualified Design Listing)與EPL(End Product Listing)兩類,前者指的是通過驗證的產品設計,後者指的則是通過驗證的產品。如此一來,同樣的QDID廠商只需要負擔一次的listing fee,而消費者也更容易根據QDID選擇自己想要的產品。只是現實上,聯盟的規範與廠商的認知似乎還有一段落差,才會出現有產品未經官方認證就上市或是廠商多繳listing fee的狀況。
高振家也提到,藍牙技術在消費者生活中的普及已是不爭的事實,只是新規格要如何具體的導入、以及相關廠商是否會買單,則有待時間的證明。他所提到的三個關於實際驗證、應用落實與廠商採用的問題,只是就他身為BQE的經驗發現的幾個重點,至於實際上要如何讓藍牙規格持續被廣泛應用,勢必還有許多必須繼續發掘與關注的要素。
短距離/低功耗傳輸的競爭  藍牙技術何去何從?
就現況來看,在短距離的無線低功耗傳輸技術(ultra-low power short-range wireless technology)市場中,除了我們前面已多有著墨的藍牙4.0低功耗技術,Zigbee則是默默戮力耕耘的一項傳輸標準。
◎市面低功耗短距離傳輸規格
Zigbee與藍牙同樣被視為歸屬在個人區域網路 (Personal Area Network,PAN)的架構下,採用的是IEEE 802.15.4,工作頻率為868MHz、915MHz或2.4GHz,強調具有低成本、低耗電、雙向傳輸以及感應網路功能等特色,起初被定位於各種感測器的監控,目前則發展出多樣化的次標準,像是針對電源控制(Smart Energy Certified)、家庭自動化(Home Automation Certified)與電信服務(Telecom Service Certified)等認證規格,也積極拓展像是遙控及醫療電子等應用領域,目前已有上百樣產品獲得Zigbee的認證。Zigbee與現有藍牙技術的應用數量相比,似乎看起來又是小巫見大巫,儘管藍牙4.0的低功耗技術還需要時間發酵,不過依照眾家廠商對藍牙規格的愛戴程度,Zigbee勢必得要找出獨特的利基,才能更有異軍突起的機會。
除了現有低功耗技術規格Zigbee的苦心經營外,全球通訊晶片大廠高通(Qualcomm)也宣佈將於2011年推出名為”Peanuts”的低功耗傳輸技術,號稱將能以更低的耗電量與更大的傳輸速率,提供多樣化的應用方向,除了能應用在高通的最大市場—手機產品上,更可將技術發揮於安全監控或車載通訊等面向。此舉等於是對整個低功耗傳輸市場的宣戰,畢竟,高通掌握大量的晶片供應,根據產業界由上游影響下游的慣例,Peanuts的規格便極有可能出現在許多採用高通晶片的產品上。
若是再將範圍由低功耗傳輸技術拉大到整個近距離無線通訊(Near Field Communication,NFC),那麼即將出爐的Wi-Fi Direct則更被視為是藍牙的一大威脅。過去是藍牙由點對點(Peer-to-Peer)跨足到802.11協定轉換層,現在則是Wi-Fi Direct要回過頭來藉由點對點技術,吃下藍牙技術的大餅。透過Wi-Fi Direct,將可使各種像是手機、電腦、鍵盤、滑鼠、數位相機和印表機等產品直接以點對點方式傳輸資料,不需再透過另外的媒介或是藍牙所需的配對過程。
儘管規格未明,可以知道的是,Wi-Fi Direct能與所有現有的Wi-Fi 802.11a/b/g/n產品相容,廠商或消費者只要透過軟體的升級,便能直接具備Wi-Fi Direct的功能,不需要更換設備或元件;在安全性上,則支援支援WPA2加密傳輸標準;而至於傳輸速度方面,在產品本身支援802.11n的前提下,可達到最高250Mbps的速度。光是這樣的表現看起來已經相當驚人,更遑論目前市面上已有不計其數支援既有Wi-Fi規格的產品。
除了Wi-Fi Direct外,由日系大廠索尼(Sony)等十五家公司共同主推的TransferJet,結合了NFC與超寬頻技術(Ultra-Wide Band,UWB),主打短距離傳輸(傳輸距離設定為三公分)與超高速度(理論值可達560Mbps),可將較大容量的影像內容或音樂檔進行高速傳輸。再加上多家大廠如三星電子(Samsung)、東芝(Toshiba)、日立(Hitachi)、佳能(Canon)、尼康(Nikon)等的支持,勢必將在接下來的相機、電視、手機等相關消費性產品中佔有一席之地。由此看來,隨著Wi-Fi Direct與TrandfetJet的步步進逼,藍牙似乎還有一場硬戰要打。
知名國際研究機構Gartner於2010年3月發表出的2011年的十大主流行動技術中,其中一項便是藍牙,Gatner同時看好藍牙3.0與4.0的未來發展,主要原因在於,市場上將有更多產品需要較高的資料傳輸速度以滿足更大型的圖像或影片傳輸需求、而低功耗傳輸在醫療保健領域也將有相當的應用空間。儘管如此,考量到其他低功耗傳輸技術像是Zigbee與Peanuts的威脅、以及Wi-Fi Direct的來勢洶洶,實際的市場發展究竟會如何、是否各個規格皆能擁有一片天?則有待時間的證明,不過可以確定的是,這些技術規格的進步發展,若皆能有效應用於更多不同領域像是醫療協助、安全監控或是家庭自動化等,則更能讓我們生活中所存在的科技,更加便利、也更加符合人性。

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