通道探測/PAwR巧扮生力軍　藍牙6.0/Mesh 1.1大拓應用範疇

自藍牙1.0版本規範出現以來的25年裡，藍牙技術經歷了許多功能上的提升，並拓展至各種應用和市場。隨著最新的藍牙核心規範6.0版本以及藍牙Mesh的推出，此項技術仍在持續演進。未來幾年，藍牙的創新將為家庭、零售、分銷和工業自動化用戶帶來全新的應用。

一個創新的例子是使用藍牙通道探測(Bluetooth Channel Sounding)來支援安全且精準的測距(Ranging)。該協定允許兩個設備在無線範圍內相互以安全且準確的方式確定兩者之間的距離，進一步強化低功耗藍牙(Bluetooth Low Energy, BLE)中既有的位置服務和定位功能。

大多數現有藍牙設備可以透過檢測來自其他設備的廣播訊息，分析射頻訊號強度並將其轉換為距離來進行存在檢測，但測距精度約為±5m。除了基本的存在檢測和距離測量，新的通道探測技術還支援利到達角(AoA)和出發角(AoD)技術的測向。

藍牙通道探測精準測距

承上所述，藍牙通道探測可用於獲取藍牙6.0設備之間的精確距離。新協定運用80MHz頻寬和藍牙的多通道特性，在全頻率範圍內實現tone和往返時間(round-trip-time)測量。此過程從「發起者」設備和「反射者」設備建立藍牙連接開始，雙方在基礎上達成測量設定的一致，隨後執行測距程序。

在通道探測過程中，發起者會透過指定的2.4GHz通道發送tone或資料包，而反射者則以回傳資料的方式回應發起者。分組的往返時間以及tone在發送與接收之間的相位差，皆可用於確定距離。透過加密的藍牙連接進行傳輸、資料包上的時間戳記和其他安全特性，有助於防止其他節點進行偽造回應，進而向發起者提供錯誤的距離估算。

在實際應用環境中，透過通道探測技術(包括相位測量)進行精細測距，於5公尺以內的距離可達到±0.3公尺的精度，而在5公尺以上的距離則可達到±0.5公尺的精度。

藍牙通道探測在工業、家庭和零售環境中有廣泛的應用，例如無鑰匙進入、資產追蹤和基礎設施定位。通道探測的準確性使其適用於基於地理圍欄的安全性原則，例如在用戶接近時自動開啟具授權的門，或當用戶在敏感區域停留過久時發出警示。類似的技術也可應用於汽車與住宅的無鑰匙進入系統，只有當主人進入近距離範圍時，系統才會解鎖門鎖。

藍牙網狀網路擴展功能

藍牙Mesh 1.1加入了多項新特性，旨在簡化網路的設定和維護，降低成本，同時提升性能、安全性和可擴展性。以下為新版藍牙Mesh標準的重點摘要：

遠端配置(Remote Provisioning)

允許從單一位置將新設備新增到網路中，對於大規模部署特別實用。在先前的標準版本中，需要在設備的無線電範圍內進行供應，這意謂著需要人員親自到場調試設備。

基於證書的配置(Certificate-Based Provisioning)

透過在發放過程中使用數位憑證對設備進行認證來增強安全性。確保只有授權的設備才能加入網路，提供額外的安全層。此一特性在與遠端配置結合使用時特別有用，因為可以以最少的使用者交互實現設備的安全批量調試。

網狀網路裝置韌體更新(DFU)

該功能標準化了藍牙Mesh網路中的韌體更新過程，並允許Mesh網路中設備韌體的高效空中(OTA)更新。該標準還定義了一個BLOB(Binary Large Object)協定，使用多播和單播訊息傳遞有效地將韌體傳遞到要更新的節點。此功能對於維護大型網路特別有用，例如用於商業大樓自動化的網路。

子網橋接(Subnet Bridging)

該功能保留了包括子網的能力，以實現區域隔離，同時簡化網路複雜性。由於每個子網使用唯一的安全金鑰，因此子網橋接既提高了網路的安全性，又提高了網路的效率。在預設情況下，消息不會在子網之間轉發。

定向轉發(Directed Forwarding)

該特性允許中繼節點建立從來源到目的地的直接路徑，進而提高了消息傳遞效率。此多跳方法減少了所需的跳數，進一步提升了網路性能。

在新的藍牙Mesh 1.1標準中還包含了多項其他小功能改進，以提高技術的性能、可用性或安全性，使該協定成為一個更強大且通用的解決方案，適用於從智慧家庭到大型商業建築和工業環境的廣泛應用。

大規模、低功耗星狀網路

具回應的週期性廣播(PAwR)是另一個功能，透過啟用無需連線的雙向通訊來提高大型藍牙網路的通訊效率。PAwR適用於大多數節點都是相對簡單且固定的情況，例如目前在零售店使用的電子貨架標籤(ESL)顯示單元。透過標準化的藍牙ESL設定檔和服務，PAwR可以設置為支援最多128個PAwR子事件(Subevents)，每個子事件最多可定址255個唯一設備，使得網路規模可以超過32,000個外設設備。

雖然PAwR的設計主要用於通訊模式為一對多的網路，但也允許雙向通訊，並透過子事件以節能的方式實現了此目標。這使得PAwR非常適合功率預算有限的ESL設備。當管理節點需要更新組中的ESL時，PAwR會發出子事件消息。附加到該子事件的每個節點都有一個設計的時段(Slot)，可以在其中回復(可能是一段資訊)，以確認已經應用了更新的價格。

此外，PAwR還可以利用此機會發送警報，提醒管理員電池電量低。透過此時間同步機制，ESL可以在預期完全啟動時關閉其無線發射器和其他功能。對於韌體更新等情況，節點可以利用藍牙連接獲得更高的資料輸送量，之後再切換回節能的PAwR模式。

儘管零售是PAwR的一個關鍵市場，但還有其他情況可以從此設計中受益。像是資產管理，其中中央伺服器需要追蹤資產，如倉庫中的托盤或生產線環境中的產品載體。

為了確保PAwR協定能夠在實際場景中運行，例如Silicon Labs在一個擁有500多個支援PAwR的設備群上進行了廣泛測試，以確定在停電後同步中斷網路的恢復情況。測試還顯示了該協定可以在多大程度上延長ESL設備的電池壽命。測試表明，透過改變PAwR間隔時間，PAwR能夠在回應性和超低功耗之間取得平衡。

上述新增到最新藍牙標準的內容展示了該協定的活力本質，以及原始設備製造商(OEM)和系統整合商在為其系統開發硬體時採用最新晶片的價值。

(本文作者為芯科科技Silicon Labs藍牙產品經理)