由行動通訊轉進多元嵌入式市場　低功耗藍牙闖出新天地

在低功耗射頻市場上，除了無線射頻辨識系統(RFID)、ZigBee等老牌技術之外，在行動通訊與消費性電子市場上占據領導優勢的藍牙，也在手機大廠諾基亞(Nokia)帶頭下，推出低功耗藍牙來搶食部分市場，並進一步將藍牙的市場版圖拓展到更多樣化的嵌入式應用市場中。  

低功耗藍牙與標準藍牙互有所長  

以手機免持通話、檔案同步等功能為主要應用領域的藍牙技術，雖然在手機應用中的普及率已超過50%，但受限於功耗與系統成本的限制，要進軍其他應用領域，如感測器網路、醫療電子等領域，仍力有未逮。為了突破標準藍牙技術的先天限制，諾基亞於2006年底以標準藍牙為基礎，再加上自家研發團隊的創意改造，提出了一種新型態的低功耗無線通訊技術，並命名為Wibree。  

圖1　Bluetooth SIG大中華區技術行銷經理呂榮良指出，為了進一步拓展藍牙的應用領域，藍牙技術將系出同門的Wibree吸納進來將可創造一加一大於二的綜效。

由於Wibree與標準藍牙技術有著系出同門的血緣關係，因此在Wibree推出之後，業界對於其與標準藍牙之間的競合關係便產生了許多討論。Bluetooth SIG大中華區技術行銷經理呂榮良(圖1)指出，從兩種無線技術鎖定的應用市場來看，Wibree與藍牙之間的互補性遠大於競爭性，也因此才有2007年底Wibree重回藍牙大家庭，並正名為低功耗(Low Energy, LE)藍牙的事件發生。站在Bluetooth SIG的立場，這樣的整合也能讓低功耗藍牙延續標準藍牙的簡單易用特性，可說是互蒙其利的做法。  

低功耗藍牙打開應用新局  

事實上，低功耗藍牙與標準藍牙所瞄準的應用市場，只有在部分人機介面裝置，如各種家電遙控器上發生重疊的情況。低功耗藍牙除了人機介面之外，感測器網路與醫療電子應用也是其發展重心所在，而且這兩大領域是標準藍牙向來找不到切入點的應用市場。因此，對於亟欲擴展客層與應用市場的藍牙解決方案供應商而言，低功耗藍牙的出現，不啻是一大福音。  

圖2　CSR台灣分公司系統應用經理楊俊仁認為，低功耗藍牙將扮演打開醫療與其他個人隨身裝置應用市場的開路先鋒。

在2008年4月，藍牙技術大廠劍橋無線半導體(CSR)領先業界率先展示低功耗藍牙晶片樣本，讓低功耗藍牙向商品化邁出重要一步之後，低功耗藍牙再度成為業界關注的焦點。CSR台灣分公司系統應用經理楊俊仁(圖2)指出，當標準藍牙首度獲得認證時，業界最看好的是這項技術的五大核心價值：低成本、低功率、短距離、全球標準化以及強固性(Robustness)。低功耗藍牙技術同樣具備這五大優勢，特別是在低功率與低成本兩個部分，更可望為藍牙打開一片新的應用天地。  

在低功耗方面，低功耗藍牙與標準藍牙有共通的技術，也有低功耗藍牙所特有的省電機制。在共通的部分，低功耗藍牙採用與標準藍牙同樣的監聽模式(Sniff Mode)，並使用和標準藍牙一樣在低功率作業時所採用的Sub-rated模式，唯一的差別在於低功耗藍牙從連線的一開始就使用這個模式。  

每一次低功耗藍牙連接都是自動使用Sub-rated監聽模式，維持超低功率作業，讓低功耗藍牙一連接就維持在最佳狀態下並發揮和標準藍牙一樣的最大功效。  

另一個讓低功耗藍牙進一步壓低功耗的秘密則在於，低功耗藍牙的資源耗用極低。一般標準藍牙裝置在進行連接時，主要裝置(Master)必須先經過一連串的連接程序，與從屬裝置(Slave)建立同步化後才能開始傳送資料，這些程序包括主要裝置必須使用多達三十二個頻道呼叫一個特定裝置，然後送出跳頻(Frequency Hopping Spectrum, FHS)封包、查詢從屬裝置，最後在連線管理(Link Manager)和邏輯鏈路控制與適應協定層(Logic Link Cotroll & Adaption Protocal, L2CAP)協商連接。這些經常性的步驟對傳送較複雜資料協定的標準藍牙是必要的，但也因此使得標準藍牙在建立連接時較為遲緩。  

資料來源：CSR 圖3　低功耗藍牙讓手機也能變身成為個人醫療監控裝置。

相較之下，低功耗藍牙只需三個頻道就可以建立連接，因此其工作週期(Duty Cycle)只有標準藍牙的10%。另外，低功耗藍牙還可藉由廣播方式(Advertising)，主動向其他裝置告知它的存在，然後它可以很快速的偵測(Listen)，查看是否需要與其他裝置建立起連線，偵測完畢之後，低功耗藍牙會自動關閉一段長時間，直到下一次必要時，它才會再次廣播宣告自己的存在。  

以低功耗藍牙應用於一個無線心跳監視器(圖3)為例，監視器只須使用三個頻道向控制/閱讀裝置(例如一支手機或手錶)宣告自己的存在，連線並傳送極短的脈衝資料然後關機。這讓低功耗藍牙能以比標準藍牙快五十倍的速度傳送資料，而較少的資料傳輸時間也讓低功耗射頻有效節省作業時間。另一個可能的應用案例則為資訊顯示，例如在手機應用中，標準藍牙可以用來建立耳機連線，而低功耗藍牙則可以將來電資訊(Calling ID)顯示在數位手錶上，甚至可以讓使用者透過手錶來遙控操作手機(圖4)。  

資料來源：CSR 圖4　低功耗藍牙可以讓單一隨身裝置遙控其他個人隨身裝置，如圖中所顯示的手錶便是一例。

楊俊仁表示，上述願景應該很快就能成為現實，因為從技術面來看，超低功耗藍牙與標準藍牙要整合成單晶片不成問題，這意味著手機製造商不必為了增加低功耗藍牙連接功能而犧牲系統尺寸，成本衝擊也可以降低到最小的程度。至於在非手機應用，如前面所舉的手錶應用案例，為這類應用所設計的低功耗藍牙解決方案的成本可以更低，因為低功耗藍牙對於時序(Timing)的要求不如標準藍牙嚴格，在系統設計時，工程師可以採用更低成本的晶體。此外，低功耗藍牙與標準藍牙晶片一樣採用標準互補式金屬氧化物半導體(CMOS)製程來生產，因此隨著製程技術的進步，晶片的成本降低也是可以預期的。  

在Bluetooth SIG主導下，標準藍牙與低功耗藍牙之間將分享相同的設定檔(Profile)，因此使用者使用超低功耗藍牙的經驗將非常近似於標準藍牙。此外，藍牙的高知名度與高普及率，也將成為解決方案供應商在向工業應用、醫療電子等相對封閉的市場推廣自家產品時一個很大的資產。  

標準/低功耗藍牙整合綜效可觀  

呂榮良指出，操作簡單方便與嚴謹的相容性測試、回溯相容等特性，是過去幾年藍牙在消費市場上得以獲得廣泛肯定的原因。不管是哪個廠牌的手機，只要內建藍牙功能，就可以與市面上所有具備藍牙標章的各種設備與裝置互相溝通，也不必擔心新舊版藍牙之間的互通性問題。在Bluetooth SIG介入規範制定與互通性測試之下，未來低功耗藍牙也會遵循同樣的機制，再加上晶片供應商可以單晶片雙模的方式，同時支援標準藍牙與超低功耗藍牙，更讓相關廠商可望獲取一加一大於二的綜效。  

例如在家電遙控的應用上，無論是電視、DVD播放器、機上盒或多媒體播放器，現階段這些主要的接收產品都必須透過專屬的遙控器來操作，若採用低功耗藍牙與經過Bluetooth SIG認證的設定檔，使用者將可透過一部遙控器控制家中所有符合藍牙規範的家電產品。對藍牙晶片供應商而言，這意味著家電遙控器與各種家電產品都將成為其潛在客戶，亦可將應用觸角延伸到其他可攜式裝置、甚至紡織、運動用品等向來不屬於電子業的領域。  

對家電製造商而言，當雙模藍牙方案導入每年出貨量超過十億支以上的手機時，其所能帶來的實際效益亦相當驚人，例如家電製造商可以開發出允許使用者直接用手機搖控的產品，給使用者更多使用上的方便性與自由，二來低功耗藍牙為一種雙向無線通訊技術，在手機螢幕朝向大尺寸化發展的趨勢下，使用者的手機螢幕也可以是一個非常實用的資訊顯示裝置，例如在遙控機上盒時，電子節目單或其他資訊可以直接顯示在使用者的手機螢幕上，而不至於對觀看節目造成干擾等等，這些都是低功耗藍牙在家電遙控應用中的獨特優勢。  

低功耗藍牙與RF4CE的競爭值得關注  

由於紅外線傳輸技術已經難以滿足未來影音家電遙控器的應用需求，因此不管是藍牙還是甫成立不久的RF4CE聯盟均把取代紅外線當作主要訴求之一。然而，分別以IEEE802.15.3和IEEE802.15.4為基礎的藍牙與RF4CE，在設計架構與支持產業的生態方面仍存在巨大差異。藍牙陣營顯然寄望能夠以在手機市場所建立的巨大出貨量基礎來建立經濟規模，壓倒相對帶有利基色彩的802.15.4。但相較於低功耗藍牙須要重新進行硬體設計的缺點，RF4CE則是可直接套用現成解決方案，因此在產品上市時程上有優勢。  

除了硬體成本之外，支持廠商的家數也是另一個值得觀察的特點。目前藍牙陣營中已宣布將推出低功耗藍牙的半導體廠商僅CSR與Nordic，且Nordic的解決方案至今仍未完全準備就緒，因此現階段家電業者只能從CSR取得解決方案來進行遙控器設計；相較之下，RF4CE的協定堆疊標準雖然尚未底定，但由於採用標準IEEE802.15.4無線電，因此目前市場上所有ZigBee晶片供應商的產品都是可用的解決方案。  

多重供應商向來是降低產品風險的重要手段，低功耗藍牙方案供應商過於局限，恐將成為客戶導入時的隱憂，是否會因而導致客戶對低功耗藍牙的接收度降低，必須審慎觀察。據了解，除了CSR與Nordic之外，參與制定低功耗藍牙的晶片供應商不乏其他大廠，或許這些大廠仍在觀察出手的最佳時間點，畢竟商業市場上不一定總是先占先贏，來得早不如來得巧。  

原本各有優缺點與市場定位的低功耗藍牙技術與RF4CE，雖然各自有其鎖定的應用市場範圍，卻因看中遙控器應用市場而短兵相接，顯見此一市場商機確實誘人。未來兩大產業標準將如何競逐紅外線技術所遺留下來的市場大餅，值得業界密切關注。