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現在與未來 藍牙通訊技術的八個趨勢
從個人領域走向全面連接

【作者: 季平】   2024年02月21日 星期三

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隨著智慧裝置蓬勃發展,裝置之間的通訊互聯成為另一種「溝通」日常。在「智慧化」與「無線化」趨勢下,讓各種裝置在或長或短的距離之間交換資料以形成個人區域網路(PAN)的無線通訊技術標準扮演吃重角色,其中,智慧生活最常接觸的無線網路運用之一就是藍牙(Bluetooth)。


藍牙的5個迭代與發展趨勢

傳統藍牙的傳輸速度約1-3Mbps,傳輸距離約10公尺或100公尺;高速藍牙(Bluetooth HS)的傳輸速度最高可達24Mbps,為傳統藍牙的8倍;低功耗藍牙BLE(Bluetooth Low Energy,或稱Bluetooth Smart)的傳輸距離約30公尺,傳輸速度為1Mbps。不同藍牙版本的主要區別在於數據傳輸速率。


翻開藍牙發展史,1999年公布的第一代藍牙1.0版傳輸率約為748-810kb/s,容易受同頻率之間類似通信產品的干擾,通訊品質易受影響,而且不同品牌間無法兼容,使用上較為不便,連結過程還可能洩漏資料,安全性有待強化。改進後的藍牙1.2配對速度變得更快,具有自適應跳頻功能,可阻止藍牙干擾其他無線技術。


第二代藍牙加入非跳躍窄頻通道(Non-hopping narrowband channel)技術,可以將藍牙訊號和資料傳送至多個裝置。以藍牙2.1版來說,不僅安全性提升,也擴展了查詢響應(EIR)及配對功能。2.1版加入Sniff Subtracting功能,可以設定2個裝置之間互相確認訊號的發送間隔以節省功耗。第三代藍牙3.0版的高速模式允許以高達802.11Mbps的速度傳輸數據,新增可選技術High Speed,可以調用Wi-Fi進行高速傳輸,傳輸率達24Mbps,是藍牙2.0的8倍,而且功耗更低。


隨著手機、遊戲、筆電、汽車等傳統應用逐步朝物聯網、醫療、穿戴式裝置等領域擴展,對於藍牙的低功耗要求也越來越高。第四代4.0版本強化了藍牙在數據傳輸上的低功耗性能,最重要的特性是省電,還加入低成本、跨廠商操作性、3毫秒低延遲、AES-128加密等特色,匯集三種規格:傳統藍牙技術、高速技術與低耗能技術,功耗較舊版本降低約90%,傳輸距離大幅提升至50公尺甚至100公尺。第四代藍牙可以廣泛應用於計步器、智能儀表、傳感器(物聯網)、心律監視器等產品,橫跨醫療保健、運動、家庭娛樂、安全等領域,而且同時支持雙模式和單模式。



圖一 : 傳統藍牙死低功耗藍牙的架構示意圖
圖一 : 傳統藍牙死低功耗藍牙的架構示意圖

2016年發布的第五代藍牙5.0頻寬具有2Mbps的「高速」模式,以及125kbs或500kbps的「長距離」模式,發射及接收設備之間的有效工作距離可達300公尺,而且電池壽命更長,可以支援室內定位及導航等功能,若結合Wi-Fi可實現精度小於1公尺的室內定位。


藍牙5.0可以增加更多數據傳輸功能以及更複雜的連接系統(如Beacon或位置服務),因此,透過藍牙設備發送的數據或訊息無須配對即可發送至目標設備。Sony Xperia XZ Premium是率先使用藍牙第五代技術的手機。


第四及第五代藍牙版本都屬於低功耗,而藍牙技術從4.2到5.0都在持續改善物聯網的連接性與體驗性,至於傳輸距離,第五代的300公尺較第四代的50-100公尺增加了約6倍,最大傳輸速度則升級到48Mbps。低功耗藍牙(LE)除了適合應用於環境物聯網,也適合無線滑鼠等電腦周邊、醫療設備、運動健身設備、工業監測感測器、家庭自動化、遠程控制、公共交通、定位等應用。


進一步解析第五代藍牙版本,2019年公布的藍牙5.1是第一個支持Mesh結構的版本,同時增加定位功能,採用藍牙5.1版本的裝置不僅可以識別附近裝置,還可以透過到達角(AoA)和出發角(AoD)取得裝置方向,方便使用者透過藍牙找到耳機,同時可以快速連接設備,降低耗能。2020年公布的藍牙5.2已加入LE Audio技術,以Bluetooth Low Energy運行,採用新開發的LC3(Low Complexity Communication Codec)編碼,耳機可以連接多個音訊,或者多組耳機分享同一音訊。


至於2021年公布的藍牙5.3版本引進LE Coded PHY,傳輸距離更遠,數據速率則提高至2Mbps,傳輸距離為5.0的4倍,工作距離達300公尺,穿牆能力更優秀,而且新增低速率模式、周期性廣播增強功能,由於傳輸的數據包不同,有助降低傳輸過程中的信號損耗,更適合與物聯網(如智慧燈泡、智能手錶或手環)連結。此外,藍牙5.3可以確定加密密鑰的大小,以便與另一台裝置連接,但如果周遭的裝置無法提供安全保證,裝置將無法連接。


2020年公布的LE Audio技術標準透過LC3編解碼技術達到低功耗、音訊更佳的效果,而且納入音訊共享功能,更針對聽障者使用的助聽器等裝置增加更好連接使用的特性,同時支援Auracast廣播音訊。使用者可以透過Auracast廣播音訊在公共環境中取消電視靜音。比方酒吧中有多台靜音電視螢幕同時播放各種體育賽事,使用者可以透過智慧手機的Auracast應用程式選擇自己喜歡的電視,透過Auracast相容耳塞收聽,或者切換到另一台電視音訊,切換過程不會出現延遲。支援Auracast的耳塞和一部配備Auracast應用程式的智慧型手機,可以在使用環境中掃描、加入和收聽Auracast廣播。



圖二 : Auracast廣播音訊是新的藍牙功能(source:Bluetooth)
圖二 : Auracast廣播音訊是新的藍牙功能(source:Bluetooth)

藍牙裝置出貨量穩定上升 低功耗與低延遲為核心

藍牙技術聯盟(Bluetooth SIG)發布的《2023年藍牙市場趨勢報告》指出,藍牙裝置出貨量穩定上升,預計2027年將達76億件,年複合成長率達9%。藍牙技術聯盟也公布了LE Audio及Bluetooth LE技術的未來趨勢:更大傳輸頻寬、支援5GHz或6GHz頻段,以及位置資訊更精準。


此外,SIG已與Sony、Bose、OPPO、Qualcomm、NXP、Ericsson等多家業者合作,共同為遊戲應用打造Gaming Audio Profile 1.0(GAP 1.0)技術標準,聲音輸出更快,直播過程延遲時間更短,大幅提高使用者體驗。英特爾(Intel)已經擁有藍牙LE音訊相容產品,並針對Auracast廣播音訊進行概念驗證 (POC) 。



圖三 : 預計2027年藍牙裝置出貨量將達76億件(source:ABI Research)
圖三 : 預計2027年藍牙裝置出貨量將達76億件(source:ABI Research)

事實上,藍牙5.2版已經迎來三大技術更新,第一項技術更新是EATT(Enhanced Attribute Protocol)增強屬性協議,藍牙訊號可以更密集的傳輸,而且還進一步降低整體延遲、強化訊號加密性,以及提高傳輸訊號的安全性;第二項技術更新是LE同步傳輸通道(LE Isochronous Channels),透過藍牙低功率音訊(LE Audio)訊號傳輸與時間同步,可以確保一對多音訊傳輸時,每個接收裝置之間的音樂同步;第三項技術更新是低功耗藍牙功率控制(LE Power Control),能透過動態調整的方式,提高裝置的省電性以及連線的穩定度。


藍牙廣播音訊功能(Auracast)是一種一對多的藍牙連線,類似傳統的無線電廣播。相容的藍牙裝置可以隨時收聽或取消收聽廣播,無需進行配對。由於藍牙5.2已將LE Audio功能納入核心低功耗規範,因此,藍牙5.2開始就具備支援LE Audio規範的藍牙廣播音訊功能。使用者可以透過藍牙廣播音訊功能建立私人連線,比方將筆電或手機音訊共享到多個藍牙耳機,這樣的連線受密碼保護,一如透過手機建立Wi-Fi熱點的應用。


綜上所述,不難看出藍牙經過五個迭代後,相關技術正朝以下趨勢邁進:



















































技術趨勢



說明



潛在應用領域



1.高精度距離量測




  1. 即時定位系統 (RTLS) 解決方案快速發展中。

  2. 到達角 (AoA) 和出發角 (AoD) 等新興技術可實現精確定位。

  3. 此功能將提高定位系統效能,並能優化數位鑰匙解決方案。



如醫療設備、運輸及物流、重型機械與電動工具等應用。



2.室內導航/尋路



藍牙RSSI無線電網路、AoD定位服務、Wi-Fi或無線照明系統內建藍牙功能皆可使用。



如室內地圖(如機場、火車站、醫院、購物中心等)或尋路等應用。



3.智慧標籤



藍牙標籤方便貼於錢包、鑰匙或其他物品上。



如蘋果(Apple)開發的物品追蹤器(Air Tag)與各種智慧標籤的應用。



4.音訊串流




  1. 低功耗藍牙技術應用方便多個用戶共享音訊。

  2. LE Audio技術支持頭戴式裝置內通訊或更靈敏的助聽功能。



如安全頭盔、智慧手錶、機上盒、耳機、助聽設備、車用娛樂系統等應用。



5.高數據傳輸速率及數據傳輸量




  1. 35%的物聯網聯網裝置依賴藍牙。

  2. 新興藍牙技術加快韌體更新速度、提高數據傳輸速率。

  3. 更高的數據傳輸量將支援高達8Mbps的數據速率。



如應用於電腦周邊、智慧手錶、健身設備、便攜式醫療設備、小型電器、電動工具和重型機械等。



6.設備網路



藍牙網狀網路技術可以控制及監控聯網照明控制與建築自動化等系統。



如光源/照明感測器、溫度/濕度感測器、門禁控制、控制裝置、通風和空調(HVAC)等。



7.數位鑰匙



藍牙技術讓智慧手機成為便捷安全的數位鑰匙。



如智慧宅、汽車、旅館等智慧場域/物品的數位鑰匙。



8.高頻段低功耗藍牙



低功耗藍牙可以在包含6 GHz頻段的其他未授權頻段頻譜中操作。



有助於提升藍牙效能、提供更高的資料吞吐量、更低的延遲性以及更高的定位精度,滿足各項設備和解決方案需求。



表一:藍牙技術的八個趨勢(整理/季平)

短距離無線通訊三強比拚

除了藍牙,短距離無線傳輸還包含Wi-Fi、ZigBee、近場通訊(NFC)、RFID、超寬頻(UWB)等技術。以無線通訊三強Wi-Fi、藍牙和ZigBee來說,各有優缺點及適合的應用場域。


Wi-Fi

Wi-Fi的802.11於1997年標準化,當時只能運行2.4GHz,速度只有2Mb/s。時至今日,Wi-Fi新標準走入第七代(基於IEEE P802.11be修正草案中定義的功能),具有超高的數據傳輸量(EHT),適用於三個頻段(2.4GHz、5GHz、6GHz)。Wi-Fi 7是在Wi-Fi 6和Wi-Fi 6E的基礎上擴展,能實現更快的速度、大幅改善回應能力及可靠性,以及滿足高度一致性和精確性的要求。


Wi-Fi 7最大的特色是可以透過多重接取(MIA)和多重連結(MLA)技術,在同一頻道上同時傳送多個數據流,同時在不同頻道上建立多個連結,進而提高頻譜利用率與網路容量,提供容量是Wi-Fi 6的5倍之多。


與Wi-Fi 6相比,Wi-Fi 7的數據傳輸量提高至46 Gbps,速度快4.8×倍,即使處於最差延遲狀況,仍能提升100倍效能,AR/VR則提高15倍。此外,Wi-Fi 7透過增強型服務品質(eQoS)及增強型通道存取(ECA)技術,可以根據不同應用需求,動態調整數據包的優先等級和傳送時間,以減少延遲和抖動。以搭載Wi-Fi 7的筆電來說,潛在最大資料速率近5.8 Gbps,可以輕鬆執行高品質8K影片串流,下載15GB檔案的時間僅約25秒,甚至虛擬實境(VR)、擴增實境(AR)、遊戲、遠端辦公及學習環境,以及雲端運算、物聯網設備、購物時的無線支付和自助結帳、監測健康狀況和醫療數據等智慧應用。TP-Link、MSI、Intel等業者已經推出Wi-Fi 7相關產品及解決方案。


不過,Wi-Fi 7也面臨挑戰及限制,如硬體成本和功耗相對較高、頻譜資源可能受若干國家或地區的法規限制、安全性和隱私保護性可能面臨新的威脅與挑戰。


藍牙

具有模塊體積小/便於集成、功耗低、傳輸快、建立連接的時間短、穩定性佳、安全度高、成本低等優勢,缺點是數據傳輸大小易受限、設備連接數較少。與Wi-Fi相較,藍牙的低功耗、低成本與高安全性是其優勢,可設定加密保護,聲音的應用領域及配套發展也較成熟,而且新增隱私權功能有助強化安全性,但缺點是有效傳輸距離較短。


ZigBee

Zigbee是IEEE 802.15.4協議的簡稱,主要適用於自動控制和遠程控制領域,可嵌入各類設備,優勢是低功耗、低成本、組網能力強,而且協議簡單。與Wi-Fi和藍牙相較,ZigBee是更為省電的無線通訊技術,硬體裝置成本也是三者中相對低廉的,由於支援先進加密標準AES(Advanced Encryption Standard),保密性與安全性也相當高。


ZigBee採用多重路徑跳點通訊(multi-hop),側重於設備間的感應和控制,傳遞訊息量較小,因此相對省電,在設備自動化的應用上比Wi-Fi和藍牙更為成熟。不過,ZigBee的有效傳輸距離不遠,多適用於小型區域(如辦公場所、住家、自動化工廠等)。


由於實際可應用速率可能介於100-250kb/s,數據傳輸速率相對較低,而且可能有延遲性,較常應用於智慧家居系統、燈光照明系統、無限定位系統等傳輸速率不需要很快的應用領域。



圖四 : 三大無線傳輸技術的比較。(整理/季平)
圖四 : 三大無線傳輸技術的比較。(整理/季平)

至於聯盟驗證方面,只有藍牙技術受明確智財權約束,而Wi-Fi及Zigbee則否,因此,符合Wi-Fi、ZigBee技術的產品不一定需要申請聯盟認證。


藍牙和ZigBee定位在2.4GHz低功率射頻產品,Zigbee側重工控與自動化領域,藍牙側重智慧生活、3C、音頻串流、智慧穿戴裝置,而Wi-Fi橫跨的功率從2.4GHz到5GHz,應用範圍涵蓋可連網的各類裝置。目前三強鼎立的態勢明顯,未來各技術與聯盟之間是否可能會出現更多相容與應用,值得期待。


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