藍牙(Bluetooth)無線通訊標準已經獲得空前未有的成功，差不多所有的智慧型手機、電腦、汽車、娛樂裝置以及穿戴式裝置都可以發現它的蹤影。根據藍牙技術聯盟(Bluetooth SIG)的報告，超過80億的裝置具備有藍牙功能。藍牙技術聯盟在2016年12月推出藍牙5(Bluetooth 5)的新規格，其相關加強部分也是主要迎合物聯網(IoT)時代的來臨。
藍牙技術幾經更迭 跟隨應用與時俱進
藍牙在不同時代背景，根據各種需求，開發多重版本。表1簡單列表各個主要藍牙版本。從市場推廣角度，藍牙技術聯盟定義一些名詞，讓世人較容易接受。v2.1和v3.0被稱做傳統藍牙技術(Bluetooth Classic)，而從v4.0開始所謂的低功耗藍牙(Bluetooth Low Energy, BLE)技術又稱之為藍牙智慧(Bluetooth Smart)。針對裝置被要求長時間使用，小電流的條件，低功耗藍牙(v4.0及之後的版本)根據這些高效率的要求做了最佳化的動作。傳統藍牙技術與低功耗藍牙技術是類似的，但彼此並不相容。當然，有些裝置也可以同時支持這兩種模式(Dual Mode)。
 |
| 表1 藍牙開發的主要版本 |
針對物聯網的應用，藍牙5更改善一些低功耗特性，包括四倍的傳輸距離(LE Long Range)、兩倍的傳輸速度(2M symb/s)、增加800%資料傳播能力(LE Advertising Extensions)。
搶攻物聯網市場 低功耗藍牙生逢其時
低功耗藍牙是從藍牙4.0版本中某些特別增列功能的名稱，藍牙4.1/4.2版本提供部分次要功能的增加及先前功能的改善。藍牙5則帶出基礎功能的改善，如高速資料傳輸。如先前所取的名字，最重要的功能特色是低能量消耗。要達到低能量消耗，主要是這些裝置大部分時間都處在不工作的狀態(99.9%的時間)，而另一個目標是快速連接。而物聯網應用在傳輸速度要求相對是較低的。
藍牙5版本的特色包括了以新的調變方式，讓藍牙裝置有兩倍的資料傳輸速度到2M symbols/Sec；以特殊編碼方式，讓藍牙裝置有四倍的傳輸距離；並透過廣播程序的延伸，使藍牙裝置有八倍的廣播能力；此外，其輸出功率可以達+20dBm。
廣告封包/資料封包傳遞
低功耗藍牙允許多種通訊型式，例如藍牙裝置允許只做資料傳遞的角色(廣播)、藍牙裝置允許只做資料接收的角色，以及藍牙裝置允許資料傳遞與接收的工作。
為達到這些目的，低功耗藍牙因而產生了廣告(Advertising)這個新名詞。一開始，所有的通訊行為透過特定通道(廣告通道)發生。一個藍牙裝置傳送資料在這特定通道，而其他另一個或多個藍牙裝置則在這個通道上接收。
信標(Beacon)這詞在此投入使用，信標的主要意義是在某定義區域內(如在某個商店中)允許某個相關服務和客製化廣告的定位功能。一般來說，信標都是由只做資料傳遞的藍牙裝置來產生。為了省電，藍牙裝置只在須要執行動作的時候才喚醒，藍牙裝置間資料交換可以直接透過廣告通道完成。為了交換額外資料，藍牙裝置須要建立連線，這樣的方式就如傳統藍牙技術的微網路(Piconet)中，兩個裝置主從式的關係，在微網路中發生跳頻動作。
藍牙5中加強廣播功能，資料通道能夠被當作輔助通道(Auxiliary Channel)，在廣告模式中，資料可以轉為輔助封包(AUX)在資料通道上被傳送和非真實連接的建立。這個稱做卸載(Offloading)，卸載服務可降低三個廣播通道的負載。
何謂低功耗藍牙狀態
在低功耗藍牙，連結層(Link Layer)負責管理一個或多個狀態機(State Machine)同時扮演多重角色。因此，一個藍牙裝置可以發送廣告訊息，同時也可以掃描的動作監視其他藍牙裝置。圖1為低功耗藍牙狀態機圖(State Machine Diagram)，圖中的每個狀態(State)分別介紹如下：
這是起始默認的狀態。
 |
| 圖1 低功耗藍牙狀態機圖 |
在此狀態中，藍牙裝置在三個或者選擇一個特定廣告通道傳送廣告事件時，扮演傳送訊息的角色，而不是接收訊息的角色。此藍牙裝置傳送訊息給附近其他的藍牙裝置，起初時，彼此之間並未建立連線。一般資料也可以週期地透過廣播通道被傳送到藍牙掃描裝置。
這是一個與廣告相反的狀態。藍牙裝置在此狀態，便會接聽來自廣告通道的廣告事件。有兩種不同掃描模式，一種是被動式掃描，另一種是主動式掃描。被動式掃描藍牙裝置只負責資料接收，不會傳送資料。主動式掃描除了資料接收外，當藍牙裝置收到SCAN Request命令時，也可以傳送資料。
假如廣告者角色的藍牙裝置，傳遞連接可能性給其他藍牙裝置，扮演掃描者角色的藍牙裝置透過廣告通道可以送出一個命令Connection Request給擔任廣告者角色的藍牙裝置。
假如連接建立成功，這兩個藍牙裝置將進入連接狀態，它便可以在微網路內互相交換資料。此初始者(也就是先前扮演掃描者角色的藍牙裝置)即為主控端裝置(Master)，而廣告者角色的藍牙裝置則為附屬端裝置(Slave)，在此模式與傳統藍牙技術連接模式相同，在資料通道使用跳頻模式，自適式跳頻也同樣被應用。
剖析藍牙5射頻介面
接著，說明射頻介面的相關知識。
因應新的需求，藍牙5在協定的底層採用新技術，因此針對不同的應用定義三個不同的物理層，提供不同的調變、編碼技術以及淨資料傳輸率。利用編碼技術增加傳輸距離，接著會有詳細的解釋，表2即為三個物理層特性的摘要，如S=8，代表8個字符(Symbol)為一個位元(bit)編碼，相同地，S=2意思是2個字符為一個位元編碼。LE 1M是在藍牙5裝置必定具備的功能，而且向下相容於藍牙v4.0。
 |
| 表2 三個物理層特性 |
低功耗藍牙在免授權工業/科學/醫療(Industry, Science and Medical, ISM)頻段使用四十個2MHz頻寬的通道，這個頻率範圍從2,402MHz(射頻通道號碼0, 邏輯通道號碼37)到2,480MHz(射頻通道號碼39, 邏輯通道號碼39)。邏輯通道號碼37、38、39這三個通道稱之為廣告通道(Advertising Channel)。邏輯通道號碼0到36則稱之資料通道(Data Channel)。三個廣告通道分配到頻率2,402MHz、2,426MHz、2,480MHz而不會被ISM頻段無線區域網路(WLAN)通道號碼1、6、11干擾，因為彼此之間並沒有重疊的頻段(圖2)。只有在兩個藍牙裝置建立連接時，跳頻行為才會出現。所以在廣告狀態和在廣告狀態做資料交換的動作，並不會使用跳頻模式。也因為如此，歐洲電信標準協會(ETSI)不認為低功耗藍牙是一個跳頻系統。
 |
| 圖2 深色為廣告通道，淺色為資料通道，在其底下為三個非互相重疊的Wi-Fi通道1、6、11。 |
低功耗藍牙在藍牙5傳輸功率調整為在-20dBm到+20dBm之間，而先前在藍牙v4.2輸出功率最大只到+10dBm，為了持續保持低功率消耗，功率控制可以個別施做在藍牙裝置上，所以根據最大功率輸出定義四個級數(表3)。
 |
| 表3 低功耗藍牙發射功率分級表 |
低功耗藍牙封包的組成基本上是相同的，由前文(Preamble)、存取位址(Access Address)、協定資料單元(PDU)、循環冗餘校驗碼(CRC)四個部分組合而成(圖3)。其中，前文是一個固定0和1的序列，支援接收端時間同步和自動增益控制。而存取位址是一個亂數值，主要是用來確認接入到哪個射頻通道。協定資料單元則運載實際的訊息，這包含接收端，發送端的位址及使用者資料。此外，在藍牙5採用編碼物理層，提供額外的欄位因應編碼的需求。
 |
| 圖3 低功耗藍牙封包組成 |
為了維持低功耗藍牙簡易性，只採用單一、堅固耐用的調變模式，如同傳統藍牙技術的基礎速率(Basic Rate)所使用高斯頻率偏移調變(Gaussian Frequency-Shift Keying)，名義頻率偏移落在+/- 250KHz範圍，資料傳輸率為1Mbit/s，其使用高斯濾波器頻寬時間積為0.5，調變指標落在0.45和0.55範圍。藍牙5引入新的物理層做為產品功能的新選項，名義頻率偏移落在+/-500KHz範圍，讓資料傳輸率增為2Mbit/s。
穩定調變指標(Stable Modulation Index, SMI)也是新選項，藍牙裝置保證調變指標落在0.495和0.505之間。提供較精確頻率偏差，如此增加可能的傳輸距離。穩定調變指標在三個不同的物理層都可以採用。
除了藍牙核心規格，藍牙信令測試規格射頻部分定義低功耗藍牙物理層L1的資格測試。低功耗藍牙定義直接測試模式(Direct Test Mode)進行這些資格測試項目，這個測試模式是透過通用非同步收發傳輸器(UART)介面直接控制藍牙待測物。而且使用主機控制介面(HCI)或Two Wired的通訊協定在此介面上，讓儀器和待測物互相溝通。這與先前傳統藍牙技術利用射頻介面，傳送控制命令及回報狀態結果有所不同。藍牙低功耗射頻在版本4.0的物理層規格敘述一些基本測試項目。藍牙5延伸這些測試到三種不同物理層。
傳輸器測試(TX Test)項目包括：輸出功率測試(Output Power)、帶內發射測試(In-band Emissions)、調變特性測試(Modulation Characteristics)、載波頻率偏差跟飄移測試(Carrier Frequency Offset and Drift)。
接收器測試(RX Test)項目則包含：接收靈敏度測試(Receiver Sensitivity)、接收選擇性(C/I and測試Receiver Selectivity Performance)、接收干擾性測試(Blocking Performance)、接收最大輸入信號測試(Maximum Input Signal Level)、接收PER回報正確性測試(PER Report Integrity)。
這些基本測試會在不同的物理層測試中被引用。表4、表5列舉了在藍牙傳輸端及接收端所有射頻測試項目，而這些測試項目都設定在非跳頻模式下完成。
 |
| 表4 藍牙5傳輸端射頻測試項目 |
 |
| 表5 藍牙5接收端射頻測試項目 |
藍牙5晶片模組測試 為產品上市做準備
藍牙技術聯盟為因應物聯網的應用需求，在最新的藍牙5標準規範中制定了新的低功耗(LE)功能。這些應用的主要評判標準在於能否達到最低的功耗。此外，透過多次的數據傳輸，藍牙5的傳輸範圍已擴增達四倍。新的規範支援1Mbit/s和2Mbit/s的傳輸速率。
為了支援藍牙5的晶片和模組測試，羅德史瓦茲(R&S)開發了與藍牙5規範一致的軟體選項。這些選項可透過授權碼在CMW綜合測試儀上啟用，經由CMW即可進行研發和藍牙認證所需的所有射頻測試。R&S CMW-KM721軟體選項可用來測量發射機的功率、調變和相鄰通道功率(ACP)。並且，可進行接收機測試，以確認封包錯誤率和接收機靈敏度。這些選項可手動操作並調整各種參數。此外，CMWrun自動化測試軟體可在遠端控制模式下進行射頻測試，使綜合測試儀能夠以極快的速度進行所有新項目測試。
目前市面上，很多通訊技術都與物聯網相關，包括藍牙、Wi-Fi、ZigBee近距離傳輸領域較知名無線通訊技術，其中藍牙通訊技術以低功耗、成本低、性能安全實現個人區域網與移動設備間近距離資訊交換，廣為人知。國際研究機構Gartner同時看好低功耗藍牙未來發展，主要原因在於低功耗傳輸在醫療保健領域將有相當的應用空間。低功耗藍牙技術規格的進步發展，若能有效應用於更多不同領域如醫療協助、安全監控或是家庭自動化等，將使得生活中所存在的科技更加便利，也更加符合人性。
(本文作者為羅德史瓦茲資深應用支援工程師)