这次的标题我会定义为蓝牙5.0 / Mesh

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藍牙5與藍牙Mesh搶占物聯網市場主導地位。繼2016年年底藍牙技術聯盟推出新版藍牙5標準後，隨即又在今年發布藍牙網狀網路技術，提供更快、更大的傳輸速度與容量，並支援更長的傳輸距離，可望進一步推升該技術在物聯網市場的競爭力。
近幾年，隨著物聯網蓬勃發展，智慧家庭、智慧建築以及智慧工廠等應用需求暴增，而藍牙這種低功耗的技術，更是眾所矚目的焦點。
根據ABI Research研究機構指出，預計2021年全球聯網設備數量將達480億，且其中近三分之一 將具備藍牙技術。為因應各種應用的需求，藍牙技術聯盟(Bluetooth SIG)於2015年三月成立藍牙Mesh工作組，期能透過藍牙Mesh技術的加持，實現多對多的功能，提供更遠的傳輸距離，為物聯網市場帶來強而有力的加值作用。
  
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圖1 藍牙技術聯盟亞太區技術項目經理任凱表示， 藍牙Mesh採用Managed Flooding廣播機制，易於開發者開發，且成本也較低廉。
  
藍牙Mesh三大優勢　搶占物聯網龍頭寶座
藍牙技術聯盟亞太區技術項目經理任凱(圖1)表示，藍牙Mesh採用Managed Flooding廣播機制，其運用方式會將訊息透過廣播方式進行訊息傳遞，訊息傳遞本身不需維護複雜的路由表，可以節省藍牙Mesh支援，對於開發者來說，運用非常簡單(圖2)。
其次，藍牙響應時間非常快，由於無須透過路由方式溝通節點，因此可直接對節點進行控制。相反的，ZigBee與Thread技術的連結，首先需要建立路由連結，並進行一系列數據的收發，來建立一條通往控制節點的路徑，進而控制節點，需要花費一定的時間。
第三，藍牙Mesh沒有中央集線器(Hub)的概念，只要節點經過配置加入到藍牙Mesh網路中，就可以與藍牙Mesh網路內任何節點通訊，在藍牙網路的節點皆為平等。其優點是，當網路中任何一個節點若出現問題，有多種路徑可以提供選擇，在這樣的狀況下，任何一個單點網路設備故障，都不會對網路訊息轉發傳遞產生致命性的影響，具備網路的健壯性非常好。
  
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圖2 藍牙Managed Flooding聯網過程示意圖
  
資料來源：Bluetooth SIG
不過相反的，面對大量的廣播發送機制，是否會造成網路傳遞氾濫的問題呢？任凱談到，為解決大量廣播傳送的問題，藍牙Mesh使用Managed Flooding技術。當在藍牙網路當中，任何一個節點的接收訊息與轉發，皆需要有一系列的限定條件，例如使用者發出一個訊息給藍牙節點，節點之間會彼此轉發，透過Managed Flooding機制，會使之前轉發過訊息的節點不會重複轉發，而並未使用同一個網路訊息的節點，則可收到訊息，但無法轉發；再者，若沒有網路密鑰，收到訊息也無法轉發。換言之，藍牙Mesh內建一系列的限定條件，來嚴格限制節點訊息轉發流程。
革命性拓撲結構登場　藍牙Mesh聚焦多元應用
從過去藍牙技術拓撲結構為一對一、一對多躍升至多對多的藍牙Mesh網路應用，其應用領域也相對應得到擴展。其主要看好智慧樓宇、無線感測器網路與資產追蹤等三大應用。
以智慧樓宇來看，在一般大型建築物內，可透過大範圍在照明系統或通風系統布建藍牙Mesh網路，實現人員追蹤應用，或者可連接至後端的雲端平台，進行大數據分析，進一步滿足各種樓宇控制的整體解決方案。
另一方面，無線感測器網路雖說在藍牙4.0就已有相關應用導入，不過採用藍牙Mesh的無線感測器，與藍牙4.0的主要差異在於，藍牙Mesh為非連接的連線方式，主要是在網路層、傳輸層到應用層設計出的一套協定規範，因此可提供更大容量的網路，實現單一網路支援高達三萬兩千點尋址範圍。相較之下，藍牙4.0的感測器需要與智慧手機連接，具有併發性的連接數量的限制，最高不超過上百個裝置併發連結。
此外，針對藍牙4.0與藍牙5在無線感測器網路的比較，若應用藍牙5標準，通訊距離可傳送更遠，而這也意味著控制範圍更廣，將來在工業物聯網領域，對於藍牙通訊範圍來說，這是非常顯著的提升。
在資產追蹤方面，在機場、車站等大型場域中，當藍牙Mesh架設完成後，可在大範圍的情況下，對內部運行物品進行資產追蹤，了解物品的所在地，周圍有多少設備，或者是人員移動的方向位置，進行高度有效調度管理。
任凱表示，藍牙技術本身的優勢與長處在於，該技術本身不複雜，且入門門檻不高，背後有非常龐大的開發者群支持聚焦在生態鏈的周遭，其開發者包含方案商、模組供應商，而這些廠商可能會面對形形色色不同種類的應用場景，預計未來三到六個月內，在上述提到的三個應用場景，會有更多應用運用到藍牙Ｍesh技術。
  
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圖3 Nordic地區銷售經理陳俊志說到，第一波採用藍牙Mesh的應用將鎖定於商業照明。
  
整體而言，Nordic地區銷售經理陳俊志(圖3)表示，藍牙Mesh可直接透過軟體升級的方式支援藍牙4.0以上的核心規格版本，具備良好的互聯互通性，且測試與認證工具已準備就緒。第一波藍牙Mesh會用到的應用，主要鎖定於商場或辦公室的商業照明應用，這些大型樓宇內的照明透過Mesh大範圍的布建，可針對這些照明進行控制，或分批控制不同空間的照明。過去在Mesh標準尚未底定之前，則是採用藍牙低功耗技術為主。
藍牙技術聯盟亞太區資深市務經理李佳蓉分析，繼照明之後，下一步預期會有較大應用的領域，為無線感測器運用，鎖定像是溫溼度控制方面的花藝、農場應用。
如圖4所示，顯示出三個藍牙技術不同的成長階段，於2000年藍牙技術聯盟推出基礎於BR/EDR技術的經典(Classic)藍牙，主要負責音頻傳輸，相關產品包含市場上的藍牙耳機與喇叭，在目前無線音頻市場，藍牙占據舉足輕重的地位；再來，第二波增長則是發生於藍牙低功耗的出現，由於手機可以連接各種低功耗的裝置，包含穿戴裝置與運動健身等裝置，確保裝置低功耗特性與產品互聯互通特性。
  
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圖4 三個藍牙成長階段及其應用曲線圖
  
資料來源：Bluetooth SIG
而第三波增長，將來自於藍牙5技術的推出，其可實現比藍牙4高4倍的傳輸距離、2倍的速度和8倍的廣播性能，並且強化了與其他無線IoT協定的共存能力，可做大範圍網路布置，像是占地範圍很廣的工廠，或交通樞紐地的鐵站、航站，可預見未來藍牙拓展這部分新市場的潛力。
事實上，藍牙5不僅是應用層面的擴張，針對藍牙開發者作業系統上技術的更新，包含Google於2017年的I/O大會，已宣布Android O目前處於開發者預覽模式，未來將會有API支持藍牙5，預計於2017年第三季正式推出；另一方面，2017年蘋果(Apple)於WWDC開發者大會上發布在watchOS4支持Core Bluetooth，目前只能運行在Central模式下，最大支持2個併發連接、最短連接間隔30ms，且當App掛起時連接會斷開。
藍牙Mesh低功耗設計原理
藍牙Mesh的設備類型分成兩大種類，第一種為Friend，為有插座可經由交流電直接供電的裝置，此類型的裝置無須考慮功耗問題，即便開啟藍牙接收器，亦可使接收機保持開啟的狀態。
不過針對那些沒有插電的裝置，像是透過鈕扣電池供電的裝置類型，稱為Low Power Node，需要具備省電的功用，因此只有在設備須進行數據收發時，才會打開傳輸進行收發。大致來說，大多數的時間傳送與接收的狀態都是關閉，應用於像是溫度感測器、煙霧偵測或室外空氣品質的感測。
低功耗/互聯性/安全性不可少　短距聯網決勝關鍵
任凱認為，低功耗、互聯互通性與安全性，是短距聯網技術不容忽視的一大要點。無論是任何一種智慧裝置，低功耗特都是產品設計時必備的考量要素；再者，目前市面上大多數的智慧型手機都內建藍牙功能在其中，加上手機已成為人們生活中很重要的一部分，換言之，藍牙在智慧手機生態系統中已有龐大的開發者體系，兼具良好的相容性與互通性。
微電子研究中心(imec)研究員Yao-Hong Liu提到，藍牙5進一步增加傳輸率及傳輸距離，這些改進可以增加更多智慧聯網的應用。以往藍牙主要重於低階的消耗性電子產品應用，新的藍牙5可以拓展到其它高階工業應用等。由於傳輸的要求增加了，在設計上還是要考量功耗及成本。
在安全性部分，任凱指出，未來網路病毒極有可能滲透到物聯網之中，所以任何面向物聯網的無線通訊協定，都需要有完整的安全性防護。對於藍牙Mesh或低功耗藍牙技術而言，皆具備非對稱或對稱加密的一系列保護措施，使得藍牙技術可以安全又放心被應用在消費類、工業類或其他物聯網領域。
任凱進一步談到，藍牙技術採用非對稱或對稱密鑰的方式。由於非對稱加密的運算量比較大，加上在藍牙Mesh當中，許多節點都是透過微處理器(MCU)運算能力有限，故藍牙Mesh使用非對稱與對稱加密，對稱加密部分使用AES128方式，再透過使用非對稱加密方式，交換AES128密鑰，接下來通過AES128加密數據訊息。此技術結合公鑰與私鑰，可有效防止中途擷取的攻擊，加強鏈路傳輸的保護。
另一方面，考量到實際使用的用戶體驗，在藍牙Mesh網路之中，所有節點都有可能需要替換或淘汰，因此藍牙Mesh還導入了密鑰更新機制。舉例來說，任何一個淘汰的裝置，裡面都存有Mesh網路的密鑰，若該裝置隨意丟棄被駭客拿到，其高安全性的網路訊息就間接被取得，故內建密鑰更新機制，可讓藍牙Mesh更新網路節點，直接剔除到網路之外的節點。
整體而言，物聯網裝置設計的考量與短距聯網技術的決勝關鍵，主要來自於低功耗、連結性與安全性等三大重點。但最後要將成品銷售到消費者端時，產品的「價格」仍會成為影響消費者購買意願的主要因素之一，也基於此，設備商或晶片設計商在選用技術的時候，成本問題的要素，也就不容忽視了。
任凱提到，藍牙出貨量2017年就會達到37億，這龐大出貨量，必定會帶來藍牙晶片或模組的成本優化，無論是協定複雜度、價格、成本都將非常具有競爭力。
強化音訊/定位效能　藍牙技術聯盟下一步行動
近兩年藍牙技術聯盟在標準制定上十分積極，相繼發布藍牙5與藍牙Mesh功能，搶進物聯網市場野心可見一斑。相關供應商也密切注目藍牙技術下一步將朝哪個方向邁進，根據藍牙技術聯盟透露，低功耗音頻傳輸與定位系統改良將是未來全力布局的目標。
任凱表示，該聯盟預計未來將音訊傳播運行在低功耗藍牙上面，不僅可以改善音質，更可使原本藍牙耳機約72~90小時待機時間，進一步延長為以周計算。除此之外，透過廣播方式的低功耗音訊傳輸，還可拓展藍牙音頻的應用場景。
舉例而言，目前的口譯設備通常都需要外接一台口譯機，建立不同語言的頻道。未來當低功耗音頻傳輸面世後，藍牙低功耗音頻傳輸支援可實現一對多的機制，無須外接口譯機，僅須透過支援藍牙的手機，就能實現即時翻譯的功能。
另一方面，藍牙技術未來不僅是在音頻上會有進一步的提升，在定位系統上也會有更上層樓的優化。任凱談到，過去藍牙的定位技術以Beacon應用為主，其定位技術是使用RSSI方式，依照訊號強度判別所在位置，容易受到牆壁或障礙物干擾，使定位的準確性受到影響，未來室內定位將採取另外一種定位模式，達到精確定位效果。
可預期的是，未來新一代藍牙技術在定位系統的更新，將為室內定位應用帶來推波助瀾的效果，其中一個最主要的應用場景就是地下停車場。現在的地下停車場基本上會在停車格上方加裝一個指示燈，若停車位已有車輛停放，就會看到停車格上方亮紅燈；未來採用更新後的藍牙室內定位系統，即能讓駕駛者行駛進停車場時，可透過手機引導至空的停車位路徑。
不僅如此，除了室內停車之外，定位所帶來的加值應用，還包含像是在購物中心的場域之中，引導消費者到想要的商店；或在球場上，可透過藍牙或低功耗藍牙技術點餐，並由專人送餐到藍牙發送訊號的地點。
以技術規格來看，目前藍牙5可以發展的空間，具備承載更高的資料量，與更快的傳輸速率，可想像此技術被推廣到音頻和室內定位的應用。看準未來藍牙技術可能發展方向，已陸續有晶片商在產品開發時，事先預留支援音訊和定位的空間，待藍牙技術聯盟標準一發布，即能在第一時間點提供相對應的解決方案。
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