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现在与未来 蓝牙通讯技术的八个趋势
从个人领域走向全面连接

【作者: 季平】2024年02月21日 星期三

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随着智慧装置蓬勃发展,装置之间的通讯互联成为另一种「沟通」日常。在「智慧化」与「无线化」趋势下,让各种装置在或长或短的距离之间交换资料以形成个人区域网路(PAN)的无线通讯技术标准扮演吃重角色,其中,智慧生活最常接触的无线网路运用之一就是蓝牙(Bluetooth)。


蓝牙的5个迭代与发展趋势

传统蓝牙的传输速度约1-3Mbps,传输距离约10公尺或100公尺;高速蓝牙(Bluetooth HS)的传输速度最高可达24Mbps,为传统蓝牙的8倍;低功耗蓝牙BLE(Bluetooth Low Energy,或称Bluetooth Smart)的传输距离约30公尺,传输速度为1Mbps。不同蓝牙版本的主要区别在於数据传输速率。


翻开蓝牙发展史,1999年公布的第一代蓝牙1.0版传输率约为748-810kb/s,容易受同频率之间类似通信产品的干扰,通讯品质易受影响,而且不同品牌间无法兼容,使用上较为不便,连结过程还可能泄漏资料,安全性有待强化。改进後的蓝牙1.2配对速度变得更快,具有自适应跳频功能,可阻止蓝牙干扰其他无线技术。


第二代蓝牙加入非跳跃窄频通道(Non-hopping narrowband channel)技术,可以将蓝牙讯号和资料传送至多个装置。以蓝牙2.1版来说,不仅安全性提升,也扩展了查询响应(EIR)及配对功能。2.1版加入Sniff Subtracting功能,可以设定2个装置之间互相确认讯号的发送间隔以节省功耗。第三代蓝牙3.0版的高速模式允许以高达802.11Mbps的速度传输数据,新增可选技术High Speed,可以调用Wi-Fi进行高速传输,传输率达24Mbps,是蓝牙2.0的8倍,而且功耗更低。


随着手机、游戏、笔电、汽车等传统应用逐步朝物联网、医疗、穿戴式装置等领域扩展,对於蓝牙的低功耗要求也越来越高。第四代4.0版本强化了蓝牙在数据传输上的低功耗性能,最重要的特性是省电,还加入低成本、跨厂商操作性、3毫秒低延迟、AES-128加密等特色,汇集三种规格:传统蓝牙技术、高速技术与低耗能技术,功耗较旧版本降低约90%,传输距离大幅提升至50公尺甚至100公尺。第四代蓝牙可以广泛应用於计步器、智能仪表、传感器(物联网)、心律监视器等产品,横跨医疗保健、运动、家庭娱乐、安全等领域,而且同时支持双模式和单模式。



图一 : 传统蓝牙死低功耗蓝牙的架构示意图
图一 : 传统蓝牙死低功耗蓝牙的架构示意图

2016年发布的第五代蓝牙5.0频宽具有2Mbps的「高速」模式,以及125kbs或500kbps的「长距离」模式,发射及接收设备之间的有效工作距离可达300公尺,而且电池寿命更长,可以支援室内定位及导航等功能,若结合Wi-Fi可实现精度小於1公尺的室内定位。


蓝牙5.0可以增加更多数据传输功能以及更复杂的连接系统(如Beacon或位置服务),因此,透过蓝牙设备发送的数据或讯息无须配对即可发送至目标设备。Sony Xperia XZ Premium是率先使用蓝牙第五代技术的手机。


第四及第五代蓝牙版本都属於低功耗,而蓝牙技术从4.2到5.0都在持续改善物联网的连接性与体验性,至於传输距离,第五代的300公尺较第四代的50-100公尺增加了约6倍,最大传输速度则升级到48Mbps。低功耗蓝牙(LE)除了适合应用於环境物联网,也适合无线滑鼠等电脑周边、医疗设备、运动健身设备、工业监测感测器、家庭自动化、远程控制、公共交通、定位等应用。


进一步解析第五代蓝牙版本,2019年公布的蓝牙5.1是第一个支持Mesh结构的版本,同时增加定位功能,采用蓝牙5.1版本的装置不仅可以识别附近装置,还可以透过到达角(AoA)和出发角(AoD)取得装置方向,方便使用者透过蓝牙找到耳机,同时可以快速连接设备,降低耗能。2020年公布的蓝牙5.2已加入LE Audio技术,以Bluetooth Low Energy运行,采用新开发的LC3(Low Complexity Communication Codec)编码,耳机可以连接多个音讯,或者多组耳机分享同一音讯。


至於2021年公布的蓝牙5.3版本引进LE Coded PHY,传输距离更远,数据速率则提高至2Mbps,传输距离为5.0的4倍,工作距离达300公尺,穿墙能力更优秀,而且新增低速率模式、周期性广播增强功能,由於传输的数据包不同,有助降低传输过程中的信号损耗,更适合与物联网(如智慧灯泡、智能手表或手环)连结。此外,蓝牙5.3可以确定加密密钥的大小,以便与另一台装置连接,但如果周遭的装置无法提供安全保证,装置将无法连接。


2020年公布的LE Audio技术标准透过LC3编解码技术达到低功耗、音讯更隹的效果,而且纳入音讯共享功能,更针对听障者使用的助听器等装置增加更好连接使用的特性,同时支援Auracast广播音讯。使用者可以透过Auracast广播音讯在公共环境中取消电视静音。比方酒吧中有多台静音电视萤幕同时播放各种体育赛事,使用者可以透过智慧手机的Auracast应用程式选择自己喜欢的电视,透过Auracast相容耳塞收听,或者切换到另一台电视音讯,切换过程不会出现延迟。支援Auracast的耳塞和一部配备Auracast应用程式的智慧型手机,可以在使用环境中扫描、加入和收听Auracast广播。



图二 : Auracast广播音讯是新的蓝牙功能(source:Bluetooth)
图二 : Auracast广播音讯是新的蓝牙功能(source:Bluetooth)

蓝牙装置出货量稳定上升 低功耗与低延迟为核心

蓝牙技术联盟(Bluetooth SIG)发布的《2023年蓝牙市场趋势报告》指出,蓝牙装置出货量稳定上升,预计2027年将达76亿件,年复合成长率达9%。蓝牙技术联盟也公布了LE Audio及Bluetooth LE技术的未来趋势:更大传输频宽、支援5GHz或6GHz频段,以及位置资讯更精准。


此外,SIG已与Sony、Bose、OPPO、Qualcomm、NXP、Ericsson等多家业者合作,共同为游戏应用打造Gaming Audio Profile 1.0(GAP 1.0)技术标准,声音输出更快,直播过程延迟时间更短,大幅提高使用者体验。英特尔(Intel)已经拥有蓝牙LE音讯相容产品,并针对Auracast广播音讯进行概念验证 (POC) 。



图三 : 预计2027年蓝牙装置出货量将达76亿件(source:ABI Research)
图三 : 预计2027年蓝牙装置出货量将达76亿件(source:ABI Research)

事实上,蓝牙5.2版已经迎来三大技术更新,第一项技术更新是EATT(Enhanced Attribute Protocol)增强属性协议,蓝牙讯号可以更密集的传输,而且还进一步降低整体延迟、强化讯号加密性,以及提高传输讯号的安全性;第二项技术更新是LE同步传输通道(LE Isochronous Channels),透过蓝牙低功率音讯(LE Audio)讯号传输与时间同步,可以确保一对多音讯传输时,每个接收装置之间的音乐同步;第三项技术更新是低功耗蓝牙功率控制(LE Power Control),能透过动态调整的方式,提高装置的省电性以及连线的稳定度。


蓝牙广播音讯功能(Auracast)是一种一对多的蓝牙连线,类似传统的无线电广播。相容的蓝牙装置可以随时收听或取消收听广播,无需进行配对。由於蓝牙5.2已将LE Audio功能纳入核心低功耗规范,因此,蓝牙5.2开始就具备支援LE Audio规范的蓝牙广播音讯功能。使用者可以透过蓝牙广播音讯功能建立私人连线,比方将笔电或手机音讯共享到多个蓝牙耳机,这样的连线受密码保护,一如透过手机建立Wi-Fi热点的应用。


综上所述,不难看出蓝牙经过五个迭代後,相关技术正朝以下趋势迈进:



















































技术趋势



说明



潜在应用领域



1.高精度距离量测




  1. 即时定位系统(RTLS)解决方案快速发展中。

  2. 到达角(AoA)和出发角 (AoD)等新兴技术可实现精确定位。

  3. 此功能将提高定位系统效能,并能优化数位钥匙解决方案。



如医疗设备、运输及物流、重型机械与电动工具等应用。



2.室内导航/寻路



蓝牙RSSI无线电网路、AoD定位服务、Wi-Fi或无线照明系统内建蓝牙功能皆可使用。



如室内地图(如机场、火车站、医院、购物中心等)或寻路等应用。



3.智慧标签



蓝牙标签方便贴於钱包、钥匙或其他物品上。



如苹果(Apple)开发的物品追踪器(Air Tag)与各种智慧标签的应用。



4.音讯串流




  1. 低功耗蓝牙技术应用方便多个用户共享音讯。

  2. LE Audio技术支持头戴式装置内通讯或更灵敏的助听功能。



如安全头盔、智慧手表、机上盒、耳机、助听设备、车用娱乐系统等应用。



5.高数据传输速率及数据传输量




  1. 35%的物联网联网装置依赖蓝牙。

  2. 新兴蓝牙技术加快韧体更新速度、提高数据传输速率。

  3. 更高的数据传输量将支援高达8Mbps的数据速率。



如应用於电脑周边、智慧手表、健身设备、便携式医疗设备、小型电器、电动工具和重型机械等。



6.设备网路



蓝牙网状网路技术可以控制及监控联网照明控制与建筑自动化等系统。



如光源/照明感测器、温度/湿度感测器、门禁控制、控制装置、通风和空调(HVAC)等。



7.数位钥匙



蓝牙技术让智慧手机成为便捷安全的数位钥匙。



如智慧宅、汽车、旅馆等智慧场域/物品的数位钥匙。



8.高频段低功耗蓝牙



低功耗蓝牙可以在包含6 GHz频段的其他未授权频段频谱中操作。



有助於提升蓝牙效能、提供更高的资料吞吐量、更低的延迟性以及更高的定位精度,满足各项设备和解决方案需求。



表一:蓝牙技术的八个趋势(整理/季平)

短距离无线通讯三强比拚

除了蓝牙,短距离无线传输还包含Wi-Fi、ZigBee、近场通讯(NFC)、RFID、超宽频(UWB)等技术。以无线通讯三强Wi-Fi、蓝牙和ZigBee来说,各有优缺点及适合的应用场域。


Wi-Fi

Wi-Fi的802.11於1997年标准化,当时只能运行2.4GHz,速度只有2Mb/s。时至今日,Wi-Fi新标准走入第七代(基於IEEE P802.11be修正草案中定义的功能),具有超高的数据传输量(EHT),适用於三个频段(2.4GHz、5GHz、6GHz)。Wi-Fi 7是在Wi-Fi 6和Wi-Fi 6E的基础上扩展,能实现更快的速度、大幅改善回应能力及可靠性,以及满足高度一致性和精确性的要求。


Wi-Fi 7最大的特色是可以透过多重接取(MIA)和多重连结(MLA)技术,在同一频道上同时传送多个数据流,同时在不同频道上建立多个连结,进而提高频谱利用率与网路容量,提供容量是Wi-Fi 6的5倍之多。


与Wi-Fi 6相比,Wi-Fi 7的数据传输量提高至46 Gbps,速度快4.8×倍,即使处於最差延迟状况,仍能提升100倍效能,AR/VR则提高15倍。此外,Wi-Fi 7透过增强型服务品质(eQoS)及增强型通道存取(ECA)技术,可以根据不同应用需求,动态调整数据包的优先等级和传送时间,以减少延迟和抖动。以搭载Wi-Fi 7的笔电来说,潜在最大资料速率近5.8 Gbps,可以轻松执行高品质8K影片串流,下载15GB档案的时间仅约25秒,甚至虚拟实境(VR)、扩增实境(AR)、游戏、远端办公及学习环境,以及云端运算、物联网设备、购物时的无线支付和自助结帐、监测健康状况和医疗数据等智慧应用。TP-Link、MSI、Intel等业者已经推出Wi-Fi 7相关产品及解决方案。


不过,Wi-Fi 7也面临挑战及限制,如硬体成本和功耗相对较高、频谱资源可能受若干国家或地区的法规限制、安全性和隐私保护性可能面临新的威胁与挑战。


蓝牙

具有模块体积小/便於集成、功耗低、传输快、建立连接的时间短、稳定性隹、安全度高、成本低等优势,缺点是数据传输大小易受限、设备连接数较少。与Wi-Fi相较,蓝牙的低功耗、低成本与高安全性是其优势,可设定加密保护,声音的应用领域及配套发展也较成熟,而且新增隐私权功能有助强化安全性,但缺点是有效传输距离较短。


ZigBee

Zigbee是IEEE 802.15.4协议的简称,主要适用於自动控制和远程控制领域,可嵌入各类设备,优势是低功耗、低成本、组网能力强,而且协议简单。与Wi-Fi和蓝牙相较,ZigBee是更为省电的无线通讯技术,硬体装置成本也是三者中相对低廉的,由於支援先进加密标准AES(Advanced Encryption Standard),保密性与安全性也相当高。


ZigBee采用多重路径跳点通讯(multi-hop),侧重於设备间的感应和控制,传递讯息量较小,因此相对省电,在设备自动化的应用上比Wi-Fi和蓝牙更为成熟。不过,ZigBee的有效传输距离不远,多适用於小型区域(如办公场所、住家、自动化工厂等)。


由於实际可应用速率可能介於100-250kb/s,数据传输速率相对较低,而且可能有延迟性,较常应用於智慧家居系统、灯光照明系统、无限定位系统等传输速率不需要很快的应用领域。



图四 : 三大无线传输技术的比较。(整理/季平)
图四 : 三大无线传输技术的比较。(整理/季平)

至於联盟验证方面,只有蓝牙技术受明确智财权约束,而Wi-Fi及Zigbee则否,因此,符合Wi-Fi、ZigBee技术的产品不一定需要申请联盟认证。


蓝牙和ZigBee定位在2.4GHz低功率射频产品,Zigbee侧重工控与自动化领域,蓝牙侧重智慧生活、3C、音频串流、智慧穿戴装置,而Wi-Fi横跨的功率从2.4GHz到5GHz,应用范围涵盖可连网的各类装置。目前三强鼎立的态势明显,未来各技术与联盟之间是否可能会出现更多相容与应用,值得期待。


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