短距離無線傳輸技術分析
- DIGITIMES企劃
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無線網路應用廣泛，而在需要低耗電、較少量資料傳輸的家電控制、物件辨識，大多會採用短距離無線技術，例如紅外線、藍牙、ZigBee、ANT等等。隨著物聯網的興起，各技術都各有所長，也正互相較勁中，以下就來看看這些技術。
無線通訊的應用普及，擺脫傳統有線通訊的枷鎖，讓各種行動裝置都能夠隨時隨地連接上網。不過在需要長時間運作、超低耗電、傳輸少量資料的應用場合，例如家電控制、物件辨識、醫療照護、建築自動化等等，就不適合高耗電的Wi-Fi傳輸協定。
以無線感測器網路(Wireless Sensor Networks；WSN)為例，其所構成的內部網路，很多還是採用一些工業標準的無線傳輸協定，例如ZigBee、6LowPAN、WirelessHART、WIA-PA、ISA100等等，穿戴式感測用品主要使用ANT與低耗電藍牙(BLE)協定，而倉儲、門禁系統、電子錢包與則使用RFID等，而傳統遙控器則使用紅外線來傳輸、手機傳輸逐漸採用NFC。這些短距離的無線通訊技術，在當今雲端(Cloud)、物聯網(IoT)流行之際，逐漸躍升為主角。
老朋友、新應用的紅外線“光通訊”傳輸技術
紅外線這個老牌的技術，早已普遍應用在攝影、感應、傳輸、偵測、控制、條碼掃描、滑鼠等各種場合，其衍生出來的各式產品種類繁多，而一些超大螢幕的觸控技術，也是採用紅外線的感應技術來實現。
紅外線通訊屬於無線光通訊中應用最廣、歷史最悠久的短距通訊技術。當今的許多家電遙控器，仍採紅外線遙控設計。而在數據傳輸部份，其專屬協會IrDA於1993年成立，制定紅外線傳輸工業標準，SIR (Serial Infrared)模式速度在9.6K~115.2K bps，而FIR (Fast Infrared)模式則達4M bps，傳輸距離在1米內，對傳角度在30度以內。早期的筆記型電腦、PDA、行動裝置，均內建IrDA紅外線技術，來進行資料同步與傳輸。
由於紅外線傳輸速度較慢，雖說新的VFIR、UFIR、甚至Giga-IR(可達1Gbps)等標準已經發表，但光通訊技術易受障礙物遮蔽而導致傳輸中斷，再加上更多先進的短距射頻通訊技術被開發之後，紅外線通訊在主流ICT產品的應用上，已經逐漸式微。如今許多新款的智慧型手機，已改用(NFC，Near Field Communication，近場通訊協定)，來做為資料傳輸、電子支付等應用。
爭奪短距通信標準 ANT、藍牙、ZigBee較勁
無線電(Radio)射頻(RF)技術，不像光那樣會受到障礙物影響，是當今應用最廣泛的無線傳輸技術。發射方透過天線射出電磁波，接收方透過接收器與解調動作，即可收訊，早期大量應用在廣播、電視、通信等用途。
後來在數位通訊應用上，除了以IEEE 802.11為基礎的Wi-Fi、WLAN傳輸標準外，在短距離通訊部份，則有IEEE 802.15.1的藍牙、ANT、ZigBee技術，皆採2.4GHz的ISM band (工業/科學/醫學專屬頻段)作為標準。
藍牙技術最早由易立信(Ericsson)於1994年發起，主要針對手機和配件(如耳機)間進行低功耗、低成本的無線通訊連線。後來藍牙協會成立，在各大ICT廠商的推廣之下，如今藍牙已成為短距傳輸的主流標準之一，廣泛應用於手機、平板、遊戲機、耳機、立體聲音頻串流、汽車、電腦，與穿戴式裝置等產品。
藍牙主攻個人區域網路(PAN)，“傳統藍牙”標準主要作為訊息傳遞、裝置連線為目標，傳輸速度為1？3Mbps，距離10米或100米；另“高速藍牙”(Bluetooth HS)主攻數據交換與傳輸，速度為傳統藍牙8倍；至於“低耗電藍牙”(BLE，Bluetooth Low Energy，亦稱作Bluetooth Smart)則是針對穿戴式裝置(如手錶、體育健身/醫療保健產品)或工業自動化之低耗電需求，於2010年所公佈的分支標準，距離在30米以內，傳輸速度為1Mbps。
ANT Wireless無線傳輸技術，是由Dynastream Innovations公司所主導。ANT主打PAN應用，且基於無線感應網路之短距傳輸需求而制定的標準，傳輸速度為20Kbps，採自適應同步網路架構，確保各裝置在傳輸時不受其他訊號干擾。
跟BLE一樣，ANT具超低耗電特性，使用鈕扣電池可維持1年以上，普遍應用在體育健身、醫療保健、穿戴式裝置等產品上。而ANT+為ANT的延伸協定，可定義不同廠商產品的裝置參數(包含心律器、單車速度、力量/重量範圍等等)，以便互享感測器數據資料。由於市面上許多ICT裝置並不支援ANT協定，加上BLE也以低耗電、相容於ICT產品來搶市，使得許多廠商逐漸採用ANT+BLE雙模晶片來設計上述產品，以提升產品互連相容性。
於2005年開始嶄露頭角的ZigBee協定，同樣也基於PAN應用，以IEEE 802.15.4標準規範之無線網狀網路節點為架構，具備低成本、低功耗特性，傳輸速度在250Kbps，距離10~20公尺，廣泛應用在遠端監控/遙控(如家用燈控)，自動化(家庭、建築、工廠等)以及無線感測網路(WSN)產品中。其網路拓撲可支援Star(星狀)、Cluster Tree(簇樹狀)、Mesh(網狀)型態，被業界視為智慧建築(Smart Building)、物聯網(IoT)最廣泛的協定之一。
ZigBee v1.2 (又稱ZigBee PRO、ZigBee 2007)，涵蓋了: 家庭自動化、智慧能源、通信服務、醫療保健、Light Link(燈光控制)、建築自動化、閘道器、以及Green Power(綠能)等協定，運用廣泛。而ZigBee RF4CE (消費性電子之無線電)以取代遙控器、輸入裝置為主，與BLE搶市。
WSN專用的IoT網路協定
無線感測網路(WSN)之節點(Node)間傳輸，除採用ZigBee協定，另也有採用ISA100、WirelessHART、WIA-PA、6LowPAN等嵌入式產品專用的通訊協定。以IETF (Internet Engineering Task Force)制定的6LoWPAN開放標準，支援IPv6，讓路由器可休眠，免閘道器設置，適合WSN低規、低耗的客製化環境，故也廣被ZigBee IP、ETSI M2M、ISA 100.11a、BLE等無線網路技術所採納。
新一代的無線傳輸技術
其他無線傳輸技術中，像Sony在2008年發表的TransferJet，就是以近場通訊(NFC)結合超寬頻(UWB)的基礎，採用電感磁場技術，兩個裝置只要在相距幾公分內，資料傳輸率可高達375Mbps；若採用4.48GHz頻帶，傳輸速率更高達560Mbps，能應用在手機、遊戲機、數位相機、攝錄影機、電腦、電視、與印表機等產品。
TransferJet於2013年開始嶄露頭角，並有一系列週邊產品上市。TransferJet協會最近也與SDA協會合作，共同推廣TransferJet的應用。東芝更推出microSDIO的TransferJet無線網卡、與USB/microUSB網路卡，以做為手機超高速傳輸之用。
另外值得一提、尚在研發階段的無線傳輸技術，就是Li-Fi (燈光上網技術，Light Fidelity)，跟紅外線類似的光通訊技術，但Li-Fi是利用可見光(如LED燈)來做溝通，速度號稱比傳統Wi-Fi快10倍以上。由於燈光也是一種電磁波，加上燈光的頻率較一般Wi-Fi訊號高出10萬倍，肉眼難以察覺，因此只要讓LED燈泡快速地閃爍，搭配專屬的Li-Fi接收器，即可做為資料傳遞的目的。
該技術最早是由德國物理學家Harald Haas博士，於2011年10月提出可見光通訊(VLC；Visible Light Communication)的概念，同時成立Li-Fi Consortium聯盟推廣其應用。只是後來該技術被上海復旦大學研究成功，於2013年10月發表成功案例，能在單一LED燈源下提供4台裝置同時上網、互傳資料，平均速度達150Mbps。
除了歐洲的Li-Fi，亞洲也組成VLC(可見光通訊)聯盟，有Casio、NEC、Panasonic、三星、夏普、東芝、NTT Docomo等成員，致力推動光通訊的無線PAN計劃草案，與RF和IrDA的標準互別苗頭。在台灣，台北科技大學光電工程系呂海涵教授於2014年4月透過紅光雷射光進行傳輸實驗，結果高達10Gbps速度、與最長17.5米的距離，為全球首位成功案例。但光通訊有無法折射、怕阻擋物、接收角度受限等缺點，再度加上成本高、耗電大，因此尚無法完全取代Wi-Fi。
