2010年3月7日 星期日

ANT還是 Bluetooth LE?


利用近距離無線通信技術將手機及可穿戴式感測器終端等與智慧電話連接起來,實現新的功能。最近,以此為目標的行動正在展開。其中備受關注的近距離無線方式是「ANT」和「Bluetooth LE」。為了在各種便攜終端上採用這些技術,手機、手錶及保健電子產品的廠商開始加快行動。


「終於要迎來能夠用鈕扣電池驅動的低耗電無線技術了。這樣便可拿來配備到我們的手錶上,實現與智慧電話的連接功能。『GSHOCK』及『OCEANUS』等經典產品也不例外。力爭在數年內,使之像現在的電波手錶功能一樣實現普及」(卡西歐計算機羽村技術中心鐘錶事業部模組開發部模組企劃室主任奧山正良)。


「已經在討論如何策劃使用低耗電無線技術的保健電子產品了。或許能夠拿出新的產品策劃案,比如充分發揮低功率優勢,使保健電子產品始終處於待機狀態」(百利達MYH服務開發課長代理竹原克)。


最近,有越來越多的電子產品廠商打算在電子產品中嵌入近距離無線通信功能。對象為手錶以及戴在身上的小型保健終端等。這些都是以一次性鈕扣電池(以下簡稱鈕扣電池)來驅動的小型電子產品,以前從未導入過無線通信功能(注1)。


使用低耗電型近距離無線方式,能夠輕鬆地將這些小型便攜終端與智慧電話連接起來,有望創造出新的附加價值。



用鈕扣電池長時間驅動


其中,備受關注的近距離無線方式是加拿大Dynastream Innovations公司的自主協議「ANT」,以及低耗電版藍牙「Bluetooth LE(Low Energy)」(以下稱BLE)(注2)。兩項技術均強調耗電量非常之低,作為小型電子產品的無線通信功能使用時,利用鈕扣電池甚至可驅動2年左右。


ANT雖說是Dynastream公司的自主方式,但迄今已被採用到以運動手錶、跑鞋步速感測器等為主的1400多萬部終端上,成為了業內的事實標準。在以推進ANT應用為目的的業界團體「ANT+Alliance」中,加盟企業截至2011年2月已達到385家之巨。


尤其是最近,智慧電話廠商的加盟頗顯活躍,2010年下半年索尼愛立信行動通訊(Sony Ericsson Mobile Communications)加入該團體。據悉,該公司將通過預定2011年春季起在全球主要市場上市的新機型「Xperia arc」支援ANT通信功能。另外,智慧電話晶片大廠商美國高通(Qualcomm)也于2011年1月宣佈加入ANT+Alliance。




低功率版藍牙亮相


BLE 通過使手機及智慧電話的主流介面即藍牙的耗電降至1/5~1/10,可利用鈕扣電池來驅動無線收發模組。雖然早在2003年前後就已對概念展開討論,但經過努力BLE功能最終被納入到了2010年夏季發佈的藍牙最新標準「Version 4.0」中。受此推動,支援BLE的收發IC在2010年底到2011年得以面市。


在手錶等電子產品上利用BLE時的上層軟體安裝指南(應用規範*)預定2011年4~6月制定完成。卡西歐計算機已宣佈在2011年內上市嵌有BLE功能的手錶。以實現各種用途為目標,比如經由BLE與智慧電話連接,當收到新郵件時在手錶上進行提示。


*這裡的應用規範是指運行各種應用軟體時要求的中介軟體安裝指南。目的是在不同廠商的電子產品間確保相互連接性。比如,現行藍牙有面向無線頭戴耳機等的「Headset」,以及面向視訊傳輸的「A2DP」等。

 「這已經不是手錶了」


為了使用近距離無線技術將智慧電話與其週邊產品連接起來,或者將小型保健電子產品接入網際網路,以前就有廠商做過嘗試。而這一行動最近隨著ANT及BLE的亮相再次活躍起來。其原因大致有三個:①用鈕扣電池驅動、②應用規範完善、③將配備到智慧電話上。


首先從①來看,由於耗電低於原來的方式,因此能夠實現只需用鈕扣電池(一次性電池)驅動的電子產品,無需進行鋰離子充電電池等必需的充電。原來的藍牙等方式儘管能夠在手機及無線頭戴耳機等以充電電池驅動的產品上使用,但在利用鈕扣電池驅動的產品上持續使用一定時間後,耗電就會過高(圖4)。


而 ANT及BLE是以利用鈕扣電池驅動為前提來制定標準的,因此能夠在手機及可穿戴式感測器等電子產品上輕鬆使用。峰值輸出時的消費電流均為10mA 左右,只需以往近距離無線方式的1/5~1/10。「嵌入手錶時,原來的藍牙必須要有充電電池才行,機殼往往因此變大。而且還需要充電。很多人們都說『搞的都不像手錶了』」(卡西歐計算機羽村技術中心開發本部鐘錶事業部模組開發部副主管長島貞夫)。


從卡西歐計算機支援BLE的試製手錶來看,峰值電流值約為10mA,數據收發所需時間(從待機模式啟動開始,到數據收發結束後恢復待機模式的時間)最長也不過300μs左右。據稱,該試製手錶用內置的鈕扣電池驅動BLE的話,兩年內無需更換電池(圖5)注4)。





體溫計及體重計也要無線化


原因②是指,不僅ANT及BLE的無線收發IC能夠採購到,而且應用規範從最初起就按各種用途縝細做了準備,導入電子產品時門檻較低。


比如,與手機和保險電子產品連接的話,就有「體溫計用」、「體重計用」及「血糖儀用」等多種應用規範。此外,還有防止手機遺落的應用規範,以及使手機與手錶實現時間自動同步的應用規範等細分應用規範。而以前的藍牙即使備有應用規範,有時用途也不明確,存在難以確保相互連接性等課題。


原因③是指,ANT及BLE今後會被配備到多數手機及智慧電話上。比如,在BLE方面,涉足藍牙用IC的半導體大廠商將在該IC上標配BLE功能。「今後我們供應的Bluetooth用IC將全部支援BLE。2012年下半年以後的藍牙智慧電話估計幾乎都會帶有BLE功能」(英國英橋無線電子(CSR)日本公司代表董事社長橫山崇幸)。


而ANT方面,除了索尼愛立信已宣佈要利用之外,今後還將有高通的平臺及三星電子的產品進行配備。而能夠作為標準功能嵌入智慧電話,正是手錶及保健電子產品開發廠商積極利用近距離無線技術的一大原因。


週邊產品市場將擴大


低耗電型近距離無線技術容易使用的話,智慧電話週邊產品以及戴在身上使用的保健電子產品等市場無疑將會擴大。而且,向電視遙控器等AV週邊產品推廣的可能性也很大注5)。



另外,還有助於實現以連接這些週邊產品為前提的、智慧電話應用軟體以及各種雲端運算型網際網路服務(保健領域等)的多樣化。


比如,先鋒在2011年1月于美國拉斯維加斯舉行的「2011International CES」上,展出了支援ANT和3G通信的便攜終端試製機(圖6)注6)。通過與保健服務提供商Yellow Digital Health Lab的系統組合,可經由ANT無線通信,將用戶騎自行車移動時的位置資訊、車速及用戶心跳數收集到便攜終端上,由伺服器來管理。展示的概念是:通過由近距離無線連接到的「感測器裝置」來獲取各種資訊,將雲端運算服務內容做的更加細緻。今後,以利用ANT及BLE為前提的服務提供商及手機系統業者的舉措將進一步增多。(未完待續,記者:蓬田 宏樹)





圖6:與雲端運算服務聯動

先鋒開發出了支援ANT的便攜終端,並在Yellow Digital Health Lab公司設在2011 International CES上的展臺進行了展出。ANT用收發IC由Nordic Semiconductor公司提供,3G通信模型由高通提供。圖中列出了Yellow Digital Health Lab在處理保健資訊的雲端運算服務中利用ANT資訊的示例。



ANT在運動領域具有優勢,BLE應用規範還在制定


ANT 和BLE作為低耗電型近距離無線方式備受關注。隨著設備廠商的關注度提高,在無線通信領域具有優勢的半導體廠商開始擴充支援兩方式的收發信IC 產品群。其中主要包括供手錶及小型保健電子產品等以鈕扣電池驅動的產品使用的IC,以及供智慧電話及平板終端等配備更大電池的產品使用的IC(表1,表 2)。


比如,手錶及小型保健終端使用的是只用於實現ANT或BLE功能的專用IC(單模式IC)。而智慧電話及平板終端則朝著在配備無線LAN及現行藍牙功能的同時,還增加BLE及ANT功能的多功能化方向發展。


設備廠商將根據想要在產品上實現的用途,從ANT和BLE中進行適當選擇後加以利用。應用規範已被定義的ANT適用於快速向市場投放產品時。而重視與手機及各種數位家電之間的未來連接性的話,採用BLE則更為有利。另外,也有像美國德州儀器(TI)那樣發佈兼具ANT和BLE兩種功能的IC產品的廠商,設備廠商的選擇範圍在不為擴大。


下面來看一下ANT和BLE的技術特點以及可利用的應用規範。


ANT:可用2KB記憶體來保存

ANT 是規定了通信網路的拓樸及訪問控制方式等的協議,規定不包括物理層。從OSI參考規範看,是對第2層到第5層的一部分做了規定(圖7)。數據收發時的最大數據包長度僅為數十字節,實際最大數據傳輸速度只有20kbit/秒。可以說,該協議很適合對小容量數據進行交換的感測器裝置等使用。

ANT的應用規範對OSI參考模型的第2層到第5層的一部分進行規定。將高層中包括應用在內的部分也作為「ANT+」來提供(a)。目前正在制定活動量計等的應用規範(b)。


該協議的特點在於,實現ANT功能時所需要的協議堆疊軟體的容量較小。據ANT業界團體介紹,2KB左右的記憶體就足可存下協議堆疊。「比如,即使包括主要協議堆疊和步速計用應用規範的軟體在內,也只需10KB的記憶體就夠了。而原來的近距離無線標準不同,即使有64KB的記憶體,恐怕也裝不下」(推進 ANT的某廠商的負責人)。


在ANT領域Nordic公司為主角


Dynastream公司將該協議授權給了在RF IC領域具有優勢的挪威Nordic Semiconductor公司。因此,目前市面上的支援ANT的電子產品大部分使用的都是Nordic Semiconductor公司的ANT用收發IC。


Nordic Semiconductor公司的ANT用收發IC是內置有ANT協議堆疊軟體的單晶片IC。在2.4GHz頻帶下收發電波。比如,該公司最新的ANT用收發IC「nRF24AP2」,其消費電流在峰值時為15m~17mA,平均為5.45μA注7)。


注 7)Nordic公司的IC據稱通過RF電路使用的PLL頻率合成器等電路塊降低了耗電。比如,該公司的自主方式的PLL「一旦使頻率及相位同步(使之鎖定),就會以很短的間隔強制解除鎖定。這樣一來,與始終鎖定時相比,就能夠降低消費電流」(Nordic Semiconductor日本區域經理山崎光男)。


應用開發無需授權


ANT 以支援該協議的電子產品為對象,備有面向各種運動用小型感測器的應用規範,比如賽跑速度測定用規範以及自行車踏板轉數測定用規範等,這些規範已被德國愛迪達公司(Adidas) 及芬蘭松拓公司(Suunto)採用。ANT將含有這些應用規範的應用平臺命名為「ANT+」。另外,為了應用於保健用途,今後還將準備供血壓計及活動量計使用的應用規範。


ANT的開發環境也迅速建立起來。為了能夠以免費授權方式來開發支援ANT的產品以及支援 ANT+的應用軟體,業界團體ANT+Alliance于 2011年2月更改了相關規定。另外,松下已開始面向支援產品的開發活動受理收發模組的訂單,而且精工愛普生也使該公司的16bit CPU「S1C17系列」實現了對ANT的支援(圖8)。(未完待續,記者:蓬田 宏樹)


圖8:ANT的利用環境趨於完善

(a)為松下製造的收發模組「PAN1327」。外形尺寸為9mm×9.5mm×1.8mm。使用德州儀器製造的IC「CC2567」,同時支援ANT和藍牙。(b)為精工愛普生的16bit CPU「S1C17系列」的評測板卡。可應用於ANT無線模組的應用開發等。


BLE:縮短峰值輸出時間


BLE 與ANT不同,是對物理層到上層應用層都進行規定的協議。在2.4GHz頻帶下利用跳頻方式的頻譜擴展技術來發送電波,這一點與現行藍牙相同。調變方式與原來一樣,仍使用GFSK(Gaussian filtered FSK)。而且,最小接收靈敏度的規定以及名義上的傳輸距離也未改變(表3)。


與現行藍牙不同的是,BLE跳頻利用的信道數量從原來的79個減少到了40個,信道間隔也隨之擴大到了2MHz。另外還將最大發送功率規定為+10dBm。


BLE 可使耗電降低的原因之一在於,將數據收發所需要的時間縮短到了僅為原來1/2以下的300μs左右。大幅縮短了峰值輸出所需要的時間,從而延長了處於待機狀態的時間,減少了消費電流。因此,將收發的數據包的最大長度縮短到了僅為現行藍牙的1/8左右。這樣,實際最大數據傳輸速度就降低到了約 300Kbit/秒。


BLE在協議堆疊軟體上也存在與現行藍牙不同的地方(圖9)。不同點主要在於,為了便於執行面向BLE低耗電模式的各種新規範,增加了相關的會話層及測試標準。其中,在GAP(Generic Access Profile)的低層設置了名為GATT(Generic Attribute Profile)的層,以便對各種要求低耗電的應用規範進行會話控制。


圖9:BLE的協議堆疊

列出了BLE利用的協議堆疊的構成。①~④是面向BLE進行過變更或追加的部分。除了新的應用規範,還備有用於控制通信會話的專用協議堆疊「GATT」等。


防止智慧電話遺落


推進藍牙標準化工作的Bluetooth SIG設立了面向各種終端應用的標準化工作分會,正在制定新的應用規範。其中,「PUID」和「Medical Devices」對設想利用BLE的應用規範展開積極制定(表4)。

在 PUID中,卡西歐計算機及西鐵城鐘錶等鐘錶廠商,以及美國蘋果及芬蘭諾基亞等手機廠商正在制定用於將手錶與智慧電話連接起來的標準。已有部分應用規範接近制定完成,比如使手錶與手機實現時間同步的「Time」、在遺落手機等時發揮作用的「Proximity」(可計測電子產品間的距離),以及忘記手機放在何處時通過操作手錶來尋找的「Find Me」等。


Medical Devices正在制定用於無線連接各種保健終端及醫療用小型電子產品的應用規範。預計將在2011年上半年制定完成與心率計連接的「Heart Rate Monitor」,以及供體重計使用的「Weight Scale」等規範。

技術在線 20/03/07 蓬田 宏樹



  • 注1)這裡所說的一次性鈕扣電池是指「CR2032」之類的一次性鋰離子電池等。
  • 注2)ANT由Dynastream公司旗下業務公司ANT Wireless管理。
  • 注3)拿ANT來說,使用CR2032電池以1天1小時、1秒處理1條資訊的負荷進行驅動的話,據稱可大約10年無需更換電池。另外,從卡西歐計算機支援BLE的試製手錶來看,通過CR2032在待機模式下1天12小時使用BLE的話,據稱可大約2年無需更換電池。
  • 注 4)據卡西歐計算機介紹,目標是進一步降低耗電,根據使用方法的不同,有時可將BLE的峰值電流值控制在2mA左右。通過將耗電降至這一水準,力爭使太陽 能電池驅動的手錶也可配備BLE。原因是太陽能電池驅動的手錶所使用的CTL(鈷鈦鋰)充電電池,其輸出的峰值電流值僅為數mA。卡西歐計算機預計「在不遠的將來就會實現」。
  • 注 5)尤其是在手錶方面,受關注的是通過配備近距離無線技術與智慧電話實現時間同步功能。卡西歐計算機積極表示,「在無法使用電波表的全球各地,只要用戶的 手機接入手機網,手錶就會自動修正到正確的時間。從手錶進步的意義上說,這可謂是一項創新。我們將利用這一機會,創造出『智慧手錶』這一手錶種類」。
  • 注6)利用高通(Qualcomm)超小型3G通信模組「IEM(Internet of Everything Module)」。

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