藍牙5.1/UWB各出奇招　短距通訊室內定位聲勢鵲起

室內精準定位發展風潮勢不可擋。根據市場調查機構ABI Research最新報告指出，到2022年，藍牙位置服務相關裝置的年出貨量將超過4億台。此外，工研院產科國際所亦指出，全球UWB室內定位市場複合年成長率將達42%，市場規模預計從2017年的71億美元擴大到2022年的409億美元。

無論藍牙或UWB都是發展已久的技術。以藍牙定位技術發展來看，其藍牙室內定位系統(IPS)與即時定位系統(RTLS)早已廣泛用於全球各地的倉庫與設施，藉以提升資源管理效益及優化材料流向。但過去這些技術主要是以偵測接收能量判斷距離，須要透過三點藍牙裝置的能量接收資料得知相對位置，容易受到牆壁或障礙物干擾，使定位的準確性受到影響。

為了強化室內定位精準度，藍牙聯盟於2019年1月發表藍牙5.1標準，核心規格加入新的尋向(Direction Finding)功能，使搭載了藍牙技術的裝置可偵測藍牙訊號方向，將定位系統提升至公分等級。

晶片方案就定位　2020年藍牙5.1開跑

宏觀微電子(Rafael Micro)副總經理李耿民(圖1)表示，從技術的層面來看，藍牙5.1設計牽涉到發射/接收陣列設計，須要內建天線交換器(Switch)，故晶片設計中須有2根以上的天線，用來偵測訊號角度從而得知相位差。不過其實某些藍牙5.0晶片透過外掛的天線交換器，即能實現相似於藍牙5.1的能力，在藍牙5.1尚未普遍應用之前，藍牙5.0與藍牙5.1版本技術可搭配使用，滿足室內精準定位的需求。

看好室內精準定位發展趨勢，晶片商更是卯足全力布局相關方案，目前市場已看到Nordic、芯科(Silicon Labs)、德州儀器(TI)與恩智浦(NXP)皆有藍牙5.1晶片方案。李耿民分析，隨著藍牙5.1晶片方案陸續登場，預計2020年年中新款旗艦機種將有望導入藍牙5.1技術。而以宏觀微電子的發展狀況來看，該公司主要的目標市場是在手機以外的物聯網市場，這領域的技術演進會慢於手機應用，故目前還是主推藍牙5.0技術，預計2020年第三季才會推出藍牙5.1的射頻(RF) IP。

除了藍牙之外，另一個近期被看好的精準定位技術，則非UWB莫屬。在消費性市場沉寂已久的UWB，在2019年蘋果iPhone 11系列搭載具備UWB功能的U1晶片，再次喚醒市場對UWB的注目。工研院產科國際所經理蘇明勇指出，UWB為短距離、高精度與高速傳輸無線波技術，由多個感測器採用到達時間差(TDoA)和AoA定位算法對標籤位置進行分析，具有多徑分辯能力(表1)。

李耿民談到，本質上UWB與跟藍牙5.1的設計有點類似，但因UWB頻率比較高、波長比較短，所以可以實現的精度也比較高。在接下來的定位市場來看，亟有可能出現藍牙5.1與UWB雙模方案出現，以滿足室內不同短距通訊的定位需求。

聚焦車用/IoT/雷達應用　UWB多模安全方案登場

除了藍牙和UWB的整合方案之外，看好車用、物聯網與雷達應用發展，恩智浦推出UWB、安全晶片與NFC的三合一方案，使行動裝置將能夠與已聯網的門禁或入口以及車輛進行通訊，以便靠近時即可自動開啟。智慧燈具、智慧音響和任何其他具備UWB感測功能的互聯裝置，能夠感知使用者在不同房間的移動，智慧互聯技術亦能直覺式地融入日常生活。

恩智浦行動業務部門資深副總裁Rafael Sotomayor表示，UWB技術是聯網領域最受期待的發展，而恩智浦率先推出行動裝置的整合性解決方案(All-in-one Solution)，可視為該公司安全互聯產品的一大進步，旨在補充現有的藍牙與Wi-Fi標準。這對於開發人員針對世界各地民眾提供無處不在的UWB體驗，是極為重要的進展。

據了解，日前恩智浦已與Volkswagen合作展示UWB技術，其展示應用包含拖車掛鉤裝置自動啟動、車內乘客檢測、自動代客泊車、自動泊車、停車場進入免下車支付，以及汽車門禁的步行模式識別，整體看起來UWB技術可有效提升車輛的防盜保護、安全性和便利性的功能。

除此之外，在雷達應用上有哪些使用情境呢？恩智浦以交通閘門收費機制舉例。假設智慧手機皆有支援UWB技術，即能將車票裝載到UWB上面，類似現今NFC的使用機制，只是無須近距離感測閘門。於未來UWB場景，交通閘門上會擺放一個UWB雷達，使用者從遠處而來到接近閘門的一定範圍內，即會進行扣款。相同的，這種應用模式也能一體適用於零售業。

天線設計/演算法/抗干擾　UWB設計三大挑戰

恩智浦表示，目前市面上消費性的UWB產品大多只能滿足1D的定位距離，無法測試出角度方位。換言之，1D僅能定位出360度以內的距離，但無法知道方向及位置故實用性較差，如能明確知道距離與方向(2D技術)，即能延伸出更多的應用場景。而針對一些需要偵測出高度的應用，也就是室內環境樓上、樓下的場域，則須支援到3D的UWB技術。以恩智浦來說，目前產品已能支援2D的能力，接下來將會持續研發3D技術，因應更多樣化的物聯網定位需求。

從技術層面來說，從1D升級2D、3D等級，恩智浦認為，天線設計與演算法是最大的設計挑戰，因為UWB每根天線設計方式都不一樣，如何克服干擾與反射問題是一大重點，再者，還須透過演算法精準計算ToF時間往返的距離，故還須仰賴天線設計與演算法兩者間的相輔相成，才得以實現UWB的技能。

李耿民補充，針對要踏入UWB領域的後進者，在進行產品技術研發時，還須注意濾波問題，由於UWB是超頻寬技術，頻率為500MHz，故須要小心處理訊號濾波的問題，因為該技術極有可能干擾到其他通訊，如Wi-Fi或2.4GHz內的不同通訊協定。

建構生態系統馬不停蹄　UWB兩大聯盟陣營角力開跑

事實上，UWB這項技術雖然發展已久，但以應用來看還處於萌芽階段。為了加速UWB技術發展，業界目前針對UWB有兩大聯盟陣營，包含UWB聯盟與FiRa聯盟。李耿民表示，UWB聯盟標準是基礎於802.11.4，將之分為2011與2007兩種版本，裡面定義三個UWB頻率的範圍，基本上業界開發商會遵循這項標準，設計上射頻與實體層(PHY)雷同，但媒體存取控制(MAC)則會有差異化出現。

另一方面，FiRa聯盟於2019年8月創立，由恩智浦、三星(Samsung)、博世(Bosch)、索尼(Sony)、HID Global、LitePoint和TTA等公司組成，目的是希望能為用戶體驗樹立新標準，確保建立跨晶片組、設備和基礎設施服務的互操作UWB生態系統。

整體而言，FiRa聯盟採用IEEE 802.15.4z標準，定義低數據速率無線連接和增強測距的基本特性，其UWB可提供三大功能，包含提供無縫連接控制(Seamless Access Control)，可識別一個人目前是正走向或是遠離安全入口，並可同時驗證安全憑證，授權通過入口而毋須刷卡；行動定位服務(Location-Based Service, LBS)，即使在擁擠的多路徑訊號環境中，UWB也能提供高精度定位，讓用戶可以更輕鬆地瀏覽機場和購物中心等大型場所，或在多層停車庫中找到汽車；最後是設備到設備(點對點)服務(Device-to-Device(Peer-to-Peer)Services)，透過在兩個設備之間提供精確的相對距離和方向，UWB允許設備找到彼此的相對位置，即使沒有諸如錨點或接入點之類的基礎設施。

展望未來，李耿民認為，UWB聯盟與FiRa聯盟兩大陣營需拱單一標準出來，才有可能廣受大眾接受。看起來UWB聯盟以先行者的姿態率先登場，但後進者的FiRa聯盟創始成員的推動力亦不容小覷，在這場標準聯盟角力爭奪戰中，尚難預測哪一個陣營會奪得主流寶座。