物聯網(IoT)發展歷經多年的更迭，無線通訊技術應用各類產品愈加多元化，因此無線連接效能也特別受到關注，低功耗藍牙與超寬頻也將為物聯網挹注強勁推力。
在過去幾年間，物聯網市場產生了顯著的變化，物聯網裝置變得越來越實用。但是很多聯網功能產品並未能真正帶給使用者實質好處，特別是消費性產品領域。例如，許多早期針對家庭自動化市場的產品，只是從專用遙控器變成提供相同功能的智慧型手機應用程式，而照明產品通常也只限於開關和調光功能。對使用者而言，必須為家中的不同裝置安裝和使用多個不同的智慧型手機應用程式，想要控制另一台設備時必須在不同應用程式之間切換。然而，針對半導體角度來看，也說明低功耗藍牙(Bluetooth Low Energy, BLE)晶片市場之所以會爆炸式成長，因為它們可以為各種產品與智慧型手機之間，提供低成本連接和極低功耗。
以使用者體驗的角度來看這種自動化方法，很明顯地並不是非常理想。讓每個使用者可以從家中任何角落輕鬆控制家電產品將會是下一個挑戰，目前的主流是透過語音控制來解決這個問題，像是亞馬遜(Amazon)的Alexa等智慧音箱。透過「喚醒詞」喚醒，然後經由雲端處理語音命令，與開啟數十個智慧型手機應用程式的麻煩相比，可明顯改善使用者體驗：想像一下「說打開廚房的燈」和「拿起手機、解鎖、找到照明應用程式、找到正確的燈，並按下按鈕將其打開」之間相比。
這種新的使用者互動方式是透過無線通訊技術：無論從設備到智慧音箱，抑或是從智慧音箱到路由器，都是使用藍牙或Wi-Fi通訊技術(圖1)。隨著技術持續發展，將有更多新功能並改進性能，而低功耗藍牙和超寬頻(UWB)這兩種無線技術，將成為改善人們生活的新選擇。
圖1 藍牙/LE已用於眾多新的應用領域，例如醫療保健和健身、家用電器、家庭自動化和定位系統。
藍牙技術發展低功耗藍牙帶來市場新氣象
過去幾年，藍牙技術聯盟(SIG)花費大量精力增強低功耗規範，使其遠遠超出最初的設計。自2009年的藍牙4.0開始，低功耗(LE)操作模式一直著重在低功耗、電池供電的物聯網終端。現今產品製造商用於各種裝置，主要市場應用在可穿戴裝置市場以及無處不在的智慧型手機。
2016年，隨著藍牙5.0規範的發布，為低功耗藍牙帶來了重大的更新。與「老大哥」經典藍牙(BR/EDR)相比，低功耗藍牙具備的兩項新功能，使其傳輸速率方面得以改善：提供達2Mbps的高速PHY模式，其為原本藍牙LE PHY的兩倍，和擴展廣播模式(Extended Advertising Mode)，該模式允許將更多資料放入單一個廣播封包中。此外，工業和智慧家庭應用情境通常比穿戴裝置需要更遠的傳輸距離。為了解決這個問題，SIG增加Coded PHY，使用糾錯碼來達到更長的傳輸範圍，同時降低速度。此外，SIG也致力於網狀網路(Mesh Network)，雖然不是藍牙核心規範的一部分，但Mesh將成為低功耗藍牙在智慧家庭應用中的主要動力之一。
藍牙核心規範之後的兩個版本，都將注意力轉向特定應用，而不是一般性能的增強。2019年發布的藍牙5.1為低功耗規範增加了測向功能，能夠計算接收到封包的到達角(AoA)、在封包中提供發射角(AoD)，使裝置能夠更容易辨識出其他裝置的位置，進而實現低功耗藍牙在室內定位中的新應用，例如導航、追蹤定位。藍牙SIG在2020年1月發布5.2規範，主要的新功能是等時通道(Isochronous Channel)，是透過低功耗藍牙連線進行立體聲音訊傳輸。這項新功能源自於助聽器和耳機的需求，最後解決藍牙LE和BR/EDR之間的一大差距的音訊傳輸(圖2)。
圖2 等時通道(Isochronous Channels)解決藍牙LE和BR/EDR之間一大差距的音訊傳輸。
藍牙SIG在2021年7月13日發表最新的核心規範(即5.3版)，與之前的版本相比，這個版本比較像是進化而非革命，但其增強功能對於提高裝置性能非常重要，包括：
1.更新定期廣播流程(Periodic Advertising Process)，允許接收器先過濾掉訊息與主機軟體堆疊無關的封包，進而改善接收器的工作負載。
2.周邊裝置現在也可向中央裝置提供建議使用頻道列表，以提高吞吐量和可靠性，過去只能從中央裝置控制頻道分類。
3.增加低速連線(Subrated Connection)，以改善偶爾需要切換到突發流量時，在高低工作週期連線之間的切換時間。
雖然藍牙5.3規範在技術層面不是一個巨大的躍進，但對於提高裝置性能、使用者體驗，及降低功耗都有重大的幫助。為了讓產品開發人員以及隨後的使用者受益於藍牙SIG的所有增強功能，有半導體廠商如瑞薩(Renesas)現已可以提供藍牙5.0的完整功能，並將會在新一代產品中增加支援藍牙5.3的功能。
超寬頻的漫漫長路新世代再次強勢回歸
超寬頻(UWB) 並不是真正的新技術，事實上已經存在很長一段時間，不同的是愈來愈多技術開始使用UWB。
UWB使用很寬的頻段進行通訊。ZigBee(基於IEEE802.15.4)、藍牙或Wi-Fi等技術，使用數MHz至數百MHz的頻寬，而UWB所占用頻段範圍從500MHz至GHz之間，是利用極短的脈波訊號在數奈秒(ns)之內重複傳送以提供即時的互動。由於頻譜密度非常低，使UWB完全不受其他技術的干擾。過去UWB被視為一種用於高速資料傳輸的新技術，例如影像，但最近重點轉移到了不同的目標：測距和定位。
UWB主流標準化是由IEEE推動的，隨著IEEE 802.15.3a工作小組成立，利用超寬頻技術開發物理層規範。然而，該工作小組無法以使用的方法(直接序列或多頻段)得出結論，因此工作被延後，後來被拆分。2007年新的802.15.4a工作小組指定直接序列UWB，同時多頻段工作被WiMedia聯盟接管。最後，直到2020年UWB才進入新市場。UWB技術採用IEEE802.15.4z規範，其中包括對物理層規範的提升，以解決距離測量應用的問題。目前推出的產品有兩種操作模式：高速率和低速率脈波重複—HRP和LRP。
如前所述，UWB技術使用發射器、接收器之間的短脈波進行通訊，根據傳輸和接收之間經過的時間，可以非常準確地計算之間的距離。HRP和LRP的最大傳輸能量相同，但由於各地區的射頻(RF)法規，使兩種方法的實際脈波不同。低速率脈波重複技術在指定的瞬時峰值功率下每毫秒(ms)使用數百個脈波；高速率脈波重複技術每毫秒則有數千個脈波，但為了符合規定，這些脈波以較低的峰值功率傳輸。從這個基本比較中，可以推斷出一些差異。
使用HRP技術時，由於脈波傳送和接收的頻率更高，因此對資料處理要求更高，特別是接收器端會更加複雜，所以需要更大的晶片面積，進而增加解決方案的尺寸。其次，由於HRP中脈波和脈波之間的間隔時間很短，因此，將脈波與前一個脈波的反射訊號混淆的風險也會增加，而LRP系統的早期路徑檢測不會有這個問題。最後，這兩種技術之間最重要的區別在於功耗，採用LRP技術的系統可以很小的功率實現與HRP系統相同的測距性能和精度，兩者之間的功耗比可以差至十倍，因此LRP系統更適合用在由電池供電的裝置，HRP系統的高峰電流值則必須特別進行補償，例如使用超級電容器。
儘管存在這些差異，目前市場上最常使用UWB方式仍為HRP。超寬頻技術的快速成長是由於主流智慧型手機的支援，另一方面也為手機周邊配件開闢了新的應用，例如由多個不同供應商所推出的標籤(Tag)產品，讓使用者從手機追蹤和尋找裝上標籤的物品。然而，這並不是超寬頻的唯一應用，越來越多不同的應用受惠於精準測距，特別是結合其他的通訊方式。
UWB扮演關鍵角色解決無線技術應用
如開頭所言，無線技術的組合可以為使用者體驗提供好處，並在產品或解決方案中創造真正的價值。本文將探討一些受惠於結合多種通訊的例子。
其中智慧型手機標籤是一種整合多種通訊技術的新型應用，第一代標籤僅包含低功耗藍牙技術。首先標籤必須和手機連線，手機會使用全球衛星定位(GPS)技術來儲存標籤的位置。每當標籤超出手機連線的範圍時，使用者可透過記錄中查詢標籤的最後一個已知位置，查看是否能找尋該定位。
然而，這種方法有一項缺點，為如果標籤移動到離開上一個儲存的位置，使用者將無法找到它。而在標籤中嵌入GPS接收器的解決方案效率不高，因為會增加相當多成本，且會很快耗盡電池電量。在手機和標籤中添加超寬頻收發器可以在一定程度上解決這個問題，一旦知道標籤的大致位置，UWB技術可以指引使用者失蹤標籤的方向，同時指示距離和方位，這將很有幫助，例如將標籤隱藏在枕頭下時。 另一個例子是即時定位系統(RTLS)，可辨識預先定義的環境中對象的位置，是由幾個錨的固定安裝裝置，和一組稱為標籤的移動物體組成。有多種不同的演算法可用於計算標籤的位置，其中一種是到達時間差(TDoA)，標籤傳送帶有時間戳記的短封包給各個錨，根據資料封包收到的時間，錨或者在某些系統中是雲端的後台，可以計算標籤的位置。
對於標籤傳輸，UWB用於提供傳輸和接收時序的準確性，但是要使該系統正常運作，所有錨的時間必須完全相同，因此需要同步。這也可以使用UWB來完成，但也可透過電纜，例如使用乙太網時間同步網路(TSN)。最後，對於錨與雲端之間的通訊，Wi-Fi連接是首選技術。
UWB逐漸成為無線領域的成熟技術，還有其他可以想像的例子，有些與上述類似，如安全存取控制，但裝置製造商的創造力可能會創造出人們還沒有想到的解決方案。
低功耗無線通訊產品應用
例如瑞薩的RL78/G1D專為低功耗應用而設計，雖然不支援最新的藍牙規範功能，但對於需要整合MCU功能和低功耗MCU與RF操作的應用來說是可參考的選擇。而若需要快速上市的應用，可採用以RL78/G1D所開發的模組RY7011，該模組減少開發和測試工作，尤其是在RF管理單位審核和藍牙認證方面。
關於藍牙5.0，該公司提供的兩種元件中，一種採用32位元RX MCU系列的RX23W，另一種採用Arm Cortex-M核心RA系列的RA4W1。這兩種元件都支援前面所提到藍牙5.0 LE的所有功能。此外，RX23W還有超小型模組，適合整合到小型終端產品中。
另外，瑞薩最近宣布開發包含藍牙5.3 LE的新一代RA MCU。這些元件將結合測向、立體聲音訊傳輸和RA MCU豐富的周邊功能(包括其高階保護功能)，以實現新的應用。在超寬頻領域，該公司則發布UWB LRP收發器IC，使用戶可創造具有精確測距和定位的低功耗應用，其電流消耗比目前系統小得多。
(本文作者為瑞薩電子無線產品行銷部門資深經理)