因應產品開發需求 選擇合宜的近距離無線技術方案
- DIGITIMES企畫
-
雖然藍牙無線傳輸技術因有行動電話應用，使其技術的能見度極高，但實際上以近距離通訊要求為開發目標的通訊技術還一大堆，尤其是ZigBee、UMB、NFC、Wi-Fi、無線1394...等，在多數應用仍有相當高的能見度，但目前仍未有一項技術能通吃所有近距離設備連接需求，反而是如何因應產品需求挑選合宜的無線技術進行整合，已成為當前產品開發的關鍵目標...
當前最熱門的近距離無線通訊技術，可以說是以「藍牙」最令人注目，而且藍牙無線技術也才是近幾年才確立規格，能快速搶攻近距離無線應用關鍵應是手機、筆記型電腦產品的大量採行，也讓藍牙及相關應用快速繁衍，同時刺激藍牙周邊商品競相推出。
藍牙無線技術是廣受業界注目的近距無線連接技術，它能兼具無線數據、語音通信傳輸需求，同時與是一種全球、開放性的無線連接、接取技術規範，尤其是它的低成本與短距離無線傳輸應用架構，亦能滿足移動型或固定型的終端設備提供相對廉價的無線連接應用需求。
藍牙傳輸頻段為全球通用之2.4GHz ISM頻段，以常用的規格可因應最高1Mbps數據傳輸速率、10公尺傳輸範圍(4.0版傳輸速度有大幅提升)，而在此規格範圍外，即成為藍牙無線技術限制，開發周邊若需要更大的傳輸距離或傳輸效能，勢必無法選擇藍牙傳輸技術方案。
近距離無線技術多元發展
除了藍牙技術外，其實目前成熟的近距離傳輸技術仍有相當多選擇，除有相對應的晶片解決方案外，多數家電或是電子設備仍可發現這些非藍牙的短距離無線通訊應用。例如，ZigBee、UMB(Ultra WideBand)、NFC(Near Field Communication)、無線1394、DECT(Digital Enhanced Cordless Telecommunications)與Wi-Fi等無線技術，就是相當常見的無線技術應用方案，尤其是無線局域網IEEE802.11x(Wi-Fi)和紅外傳輸(IrDA)技術，幾乎在筆記型電腦、數位家電均相當常見。
面對這麼多近距離無線通訊技術，即便無線技術開發的大方向都是為解決近距離無線通訊、傳輸應用目的，但實際的設計方案為因應不同應用環境用需求而略有差異，導致這些近距離無線通訊技術規格的構思基礎卻有相當大的不同，同時也影響了不同近距離無線技術的性能與電氣規格，尤其是傳輸速度、距離、耗電狀態與技術擴充性等各方面表現卻有相當大的不同，而現在也沒有任何一項無線技術足以好到能滿足所有的裝置在近距離的無線連接需求。
藍牙無線技術的應用限制
這篇內容避免討論藍牙技術，但可以在此討論其應用限制，往後帶出其它短距離無線無線技術特點與使用現況。
為何藍牙無線技術無法滿足全部的近距離無線傳輸需求，可以從幾個角度來檢視，首先，藍牙是1種無線資料與語音通信的開放性無線應用規範，藍牙的技術特點是表現在成本部分，同時，也是針對低成本要求下架構的短距離無線通訊的連接架構之下，目標在於因應固定型態或是移動終端設備的近端連接需求，或是搭配終端裝置本身既有的網路服務來擴增低成本的網路銜接入口服務。
藍牙無線傳輸技術最早於1994年問世，當時是Ericsson決定投入開發具傳輸低功耗的低成本的無線端口，透過此傳輸技術來建立手機及配件的通信傳輸應用，同時，此技術也獲得當時IT重要製造商表態支持，1998年藍牙技術的架構與通訊規範，由Ericsson、Toshiba、 Intel、IBM、Nokia...等5家公司達成協議。
當時藍牙小組(SIG)推出藍牙標準版本為802.15.1，最初標準在藍牙1.1版具體實現量產標準建立，後繼802.15.1a為以1.1為標準小幅調整，即藍牙1.2標準，此標準已將QoS(Quality of Service)特性保持通訊品質的應用機制追加規範之中，同時延續對舊版本藍牙裝置的回溯相容支援，由於規範加入QoS設計，得以讓如藍牙耳機、喇叭等對通訊帶寬要求較高的設備，可取得較佳的傳輸品質，避免傳輸訊號不穩或資料量過多影響應用品質，也讓藍牙配件的使用體驗在1.2版改善後大幅增加，益有助於後續相關產品與通訊技術的推展。
早期藍牙技術不容易導入的問題關鍵，在於關鍵通訊晶片成本太高，導致終端配件的成本相對墊高，另外在無線通訊的抗干擾能力不夠強、傳輸距離過短、傳輸過程的保全設計不足等，影響用戶的導入與使用、購買意願。
NFC近距離無線傳輸技術
NFC(Near Field Communication)近距離無線傳輸是由NOKIA、Philips和Sony主推無線傳輸技術，但很多人都會把NFC與RFID(Radio-frequency identification)混為一談，雖然NFC與RFID概念差不多，但NFC採行雙向識別、連接與認證運行，可在20公分範圍內、以13.56MHz頻段下進行無線傳輸運作。NFC無線傳輸技術早期設定在以進行近距離無線識別應用為主，而通訊協定為無線識別與網路技術的整合，現在已經漸漸發展成一種無線連接技術。
NFC技術基礎可以快速自動建立無線網路，可作為行動電話、藍牙配件、Wi-Fi無線設備提供快速網路配對、認證的通訊基礎，尤其是透過NFC架構可以建置裝置間的電子認證機制，讓以往手動產品配對的操作體驗大幅提升，是目前發展新款消費性電子、簡化操作複雜度的新穎設計方案。而NFC技術可透過一組設備來進行用戶的身份識別應用，可以改善用戶必須記憶帳戶、密碼、設備調校的繁瑣操作，同時也能確保相關設備的密碼數據不致於外流。
與藍牙無線技術不同的是，NFC的有效傳輸距離真的短許多，而且NFC應用不需如藍牙設備要自設密碼、配對等繁複操作，反而是更人性的「靠近」、「感應」即完成繁複認證手續，尤其是NFC設備只要靠近接入點就能實踐兩組設備的訊息交換，過程傳輸資料亦因距離較短而獲得更高的安全性。
ZigBee技術
ZigBee技術相當有趣，這個名稱的源起與其技術架構概念相當貼切，因為ZigBee即以蜂群互相通訊的型態發展的通訊技術，因為蜜蜂是透過採ZigZag狀態的動作來轉告下一隻蜜蜂食物的來源、距離、方向等簡短訊息，而訊息的傳遞也是利用蜂對蜂的型態傳遞回去，而ZigBee即是基於此架構概念下發展的特殊短距離無線通訊技術，因為其短距離是端點與端點間的有效間距，若每個支援ZigBee的終端數量更多形成帶狀，也能將傳輸範圍、距離透過端點數量增加而擴增。
ZigBee技術聯盟成立於2001年，直至2002年由Motorola、Mitsubishi、Invensys與Philips半導體宣布加盟ZigBee組織聯盟，進行ZigBee無線通信標準技術的研發實務，直至現今ZigBee聯盟已有超過27家企業成員，這些公司大多分別參與ZigBee物理層、媒體控制層相關技術的標準，進行IEEE 802.15.4技術規範建構。基本上ZigBee可以說是與藍牙技術基礎相當接近的近距離無線通訊技術，ZigBee也是採行2.4GHz頻帶同時在此頻帶進行跳頻技術。
和藍牙最大的技術差異在於ZigBee的實踐技術更為簡單、傳輸速度更慢、元件的功耗與建置終端的通訊成本更低，ZigBee基本傳輸效能為250kbit/sec，同時傳輸速度降低至28kbit/sec時，無線傳輸範圍最大可擴大至134公尺。ZigBee每個終端裝置可與254個節點裝置進行聯網，相較藍牙無線技術，ZigBee更適合用於發展遊戲應用、消費電子產品無線串接應用、電子儀器整合與家庭自動化應用領域，甚至是工業用監控架構、家庭社區監控網路、互動玩具等應用領域，都相當適合採ZigBee技術底層來發展加值應用。
UWB技術
UWB又稱超寬帶技術(Ultra Wideband)，是一種無線載波的通信技術，UWB不採用正弦載波而是利用非正弦波窄脈衝傳輸數據，UWB可在非常寬的頻帶上進行信號傳輸，由FCC(Federal Communications Commission)對UWB的規範是設定在3.1~10.6GHz頻段中使用500MHz以上的頻帶。由於UWB本身可利用低複雜度、低功耗的發射/接收元件來實踐大量數據傳輸，近年來在家庭影音應用導入藍光光碟高清視聽設備後，也讓這類需傳輸大量資訊的應用強化UWB技術的必要性。
基本上超寬帶短距離通信技術會對藍牙傳輸技術形成極大的挑戰，因為UWB除具備藍牙技術的特點外，UWB傳輸速度相當快，速率達100Mbps(將可突破500Mbps)，而UWB也具備低功耗優勢，同時相關業者也期待將UWB技術成本壓更低，推拱UWB成為視聽家電高速近距離無線傳輸的應用主流。
UWB在技術架構具低系統複雜度、發送信號的功率密度低，適用於室內密集多徑場合的高速無線連線接入應用，適用於在客廳構築高效的無線局域網路(WPAN)。尤其是現有IEEE802.11x極速發展受限，且UWB可期待在10公尺範圍內建置超過110Mbit/sec的無線傳輸環境，可實現視聽家電的巨量無壓縮視訊、音訊傳輸內容，雖然UWB無線傳輸技術未來是否能在滲透率大幅進展，其技術前途仍須取決於各式無線方案的競合關係，例如，關鍵收發晶片的成本、用戶習慣、市場成熟度...等多方影響，但其相關技術後勢發展仍值得持續觀察。
Wi-Fi技術具高效能傳輸優勢 熱點支援性高
Wi-Fi(Wireless Fidelity)是目前滲透率最高的無線傳輸技術，而Wi-Fi也是無線通信協議的一種，其正式的說法是IEEE802.11x，最早商品化的規格為IEEE802.11b，Wi-Fi與藍牙相當近似，也是同樣屬於短距離無線通信技術的一種，只是Wi-Fi與藍牙當初的近距離、低成本定位不同，為相對較要求傳輸速率、傳輸距離的一種無線傳輸技術，在IEEE802.11b規範的傳輸速度可達11Mbit/sec。
在IEEE802.11b技術剛推行時，實際的傳輸資料安全性跟早期的藍牙無線傳輸技術表現差不多，技術規格方面仍存在著安全漏洞，只是Wi-Fi的無線電波覆蓋範圍較藍牙更廣，在IEEE802.11b可達100公尺圓周內的穩定無線傳輸(藍牙為10公尺)，當時被廣泛應用於Hot Spot無線網路熱點佈建用途，設置於如公眾運輸站點、咖啡廳、電影院等，建構點狀的無線網路接取服務。
基本上Wi-Fi即是採乙太網的無線型態擴展性應用，當用戶只要在訊號覆蓋範圍內，透過無線接取取得使用接入點，就能讓手上的終端設備取得最高11Mbit/sec的速度接取Internet或區域網路資源，若同時有多組用戶接入同一組Access Point時，AP取得的頻寬將被多組用戶分享共用。
Wi-Fi無線接取技術最大的特點在於將原先僅有數百Kb的無線傳輸應用一舉提高到最高11Mbit/sec，等於跟實線網路接取Internet不相上下，加上Wi-Fi可穿越建築隔間牆壁阻隔，對於建築內快速部署網路環境來說具相當實用的便利特質，因此Wi-Fi無線技術也快速滲透筆記型電腦、桌上型電腦，甚至是行動裝置應用，成為目前最廣泛使用的無線數據傳輸技術。
而Wi-Fi最初IEEE802.11規範為1997年提出，主要目的是作為WLAN無線化的接入需求設計，其運行頻段為多數國家均不需額外頻段使用許可的2.4GHz頻帶，目前Wi-Fi協議新版本已有IEEE802.11a、IEEE802.11g、IEEE802.11n等相繼推出，IEEE802.11g和IEEE802.11b延續採行正交頻分多路複用調制技術OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)，為以2.4GHz頻段運行傳輸速度最高可達54Mbit/sec，尤其在Microsoft Windows視窗作業系統、Windows CE嵌入式系統開始在系統原生支援Wi-Fi後，Wi-Fi無線傳輸技術即開始爆發性的成長，相對讓IEEE802.11x的整體解決方案(無線晶片、AP裝置)的成本大幅壓低。
IrDA紅外線短距離傳輸技術
與多數基於無線電為傳輸模式的無線技術不同，Infrared Data Association無線技術為基於紅外線的傳輸型態，紅外線數據協會IrDA(Infrared Data Association)為在1993年成立，最初利用IrDA標準的無線傳輸設備只能在1公尺內用115.2 kbit/sec來進行資料傳輸，隨著技術演進已發展至可用4Mbit/sec、16Mbit/sec速率進行資料交換。基本上IrDA即是採「紅外線」來進行點對點(Peer-to-peer)的通信傳輸技術，為當時最早實踐個人局域網路(personal area network，PAN)的技術，為早期在PDA(Personal digital assistant)、手機、筆記型電腦、印表機上相當常見的無線傳輸技術。
IrDA無線傳輸技術的特色在於，紅外線傳輸不需申請頻率使用權，同時紅外線通訊成本相當低，也兼具元件體積小、運行功耗低、連接使用便利等優點，但紅外線傳輸最大的問題在於它屬於一種視距傳輸(line of sight propagation)，即傳輸方與接收方為必須在能看見的範圍內，加上紅外線的發射角度為扇形有限範圍內，因此2組設備互傳資料時設備的置放方式必須固定不動也不能有過大偏差，而發射角度有限與視距傳輸的限制也讓其傳輸安全性提高，但大體上卻是使用效用相對有限的短距離無線傳輸技術，而此技術只能一對一互傳資料，無法因應多台傳輸需求，也無法穿透牆壁進行傳輸，在近期IT產品已經逐漸式微，或被採RF技術的藍牙傳輸技術取代。
