低功耗之战!ANT VS Bluetooth LE

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 利用近距离无线通信技术将手机及可穿戴式传感器终端等与智能电话连接起来,实现新的功能。最近,以此为目标的行动正在展开。其中备受关注的近距离无线方式是“ANT”和“Bluetooth LE”。为了在各种便携终端上采用这些技术,手机、手表及保健电子产品的厂商开始加快行动。

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  “终于要迎来能够用纽扣电池驱动的低耗电无线技术了。这样便可拿来配备到我们的手表上,实现与智能电话的连接功能。‘GSHOCK’及‘OCEANUS’等经典产品也不例外。力争在数年内,使之像现在的电波手表功能一样实现普及”(卡西欧计算机羽村技术中心钟表事业部模块开发部模块企划室主任奥山正良)。

  “已经在讨论如何策划使用低耗电无线技术的保健电子产品了。或许能够拿出新的产品策划案,比如充分发挥低功率优势,使保健电子产品始终处于待机状态”(百利达MYH服务开发课长代理竹原克)。

  最近,有越来越多的电子产品厂商打算在电子产品中嵌入近距离无线通信功能。对象为手表以及戴在身上的小型保健终端等。这些都是以一次性纽扣电池(以下简称纽扣电池)来驱动的小型电子产品,以前从未导入过无线通信功能(图1)注1)。

注1)这里所说的一次性纽扣电池是指“CR2032”之类的一次性锂离子电池等。


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图1:可在纽扣电池驱动的电子产品上使用的近距离无线技术亮相
可供小型传感器终端等用纽扣电池驱动的电子产品使用的近距离无线技术亮相。将开拓出与笔记本电脑及智能电话等不同的、要求耗电更低的无线电子产品市场。

  使用低耗电型近距离无线方式,能够轻松地将这些小型便携终端与智能电话连接起来,有望创造出新的附加价值。

用纽扣电池长时间驱动

其中,备受关注的近距离无线方式是加拿大Dynastream Innovations公司的自主协议“ANT”,以及低耗电版蓝牙“Bluetooth LE(Low Energy)”(以下称BLE)注2)。两项技术均强调耗电量非常之低,作为小型电子产品的无线通信功能使用时,利用纽扣电池甚至可驱动2年左右(图2)注3)。

注2)ANT由Dynastream公司旗下业务公司ANT Wireless管理。

注3)拿ANT来说,使用CR2032电池以1天1小时、1秒处理1条信息的负荷进行驱动的话,据称可大约10年无需更换电池。另外,从卡西欧计算机支持BLE的试制手表来看,通过CR2032在待机模式下1天12小时使用BLE的话,据称可大约2年无需更换电池。

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图2:峰值时的消费电流降至1/5~1/10
据称ANT及BLE在峰值时的消费电流只需10m~20mA即可。而蓝牙为50m~100mA,无线LAN为数百mA。不过,数据传输速度只有数十k~数百kbit/秒。主要用于短时间内传输小容量数据的用途。

  ANT虽说是Dynastream公司的自主方式,但迄今已被采用到以运动手表、跑鞋步速传感器等为主的1400多万部终端上,成为了业内的事实标准。在以推进ANT应用为目的的业界团体“ANT+Alliance”中,加盟企业截至2011年2月已达到385家之巨。

  尤其是最近,智能电话厂商的加盟颇显活跃,2010年下半年索尼爱立信移动通信(Sony Ericsson Mobile Communications)加入该团体。据悉,该公司将通过预定2011年春季起在全球主要市场上市的新机型“Xperia arc”支持ANT通信功能(图3)。另外,智能电话芯片大厂商美国高通(Qualcomm)也于2011年1月宣布加入ANT+Alliance。

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图3:支持智能电话
汇总了最近与ANT及BLE相关的话题。均在推进对智能电话的支持。瞄准有望扩大的市场,半导体厂商展开积极行动。

低功率版蓝牙亮相

  BLE通过使手机及智能电话的主流接口即蓝牙的耗电降至1/5~1/10,可利用纽扣电池来驱动无线收发模块。虽然早在2003年前后就已对概念展开讨论,但经过努力BLE功能最终被纳入到了2010年夏季发布的蓝牙最新标准“Version 4.0”中。受此推动,支持BLE的收发IC在2010年底到2011年得以面市。

  在手表等电子产品上利用BLE时的上层软件安装指南(应用规范*)预定2011年4~6月制定完成。卡西欧计算机已宣布在2011年内上市嵌有BLE功能的手表。以实现各种用途为目标,比如经由BLE与智能电话连接,当收到新邮件时在手表上进行提示。

*这里的应用规范是指运行各种应用软件时要求的中间件安装指南。目的是在不同厂商的电子产品间确保相互连接性。比如,现行蓝牙有面向无线头戴耳机等的“Headset”,以及面向视频传输的“A2DP”等。

“这已经不是手表了”

  为了使用近距离无线技术将智能电话与其外设产品连接起来,或者将小型保健电子产品接入互联网,以前就有厂商做过尝试。而这一行动最近随着ANT及BLE的亮相再次活跃起来。其原因大致有三个:①用纽扣电池驱动、②应用规范完善、③将配备到智能电话上。

  首先从①来看,由于耗电低于原来的方式,因此能够实现只需用纽扣电池(一次性电池)驱动的电子产品,无需进行锂离子充电电池等必需的充电。原来的蓝牙等方式尽管能够在手机及无线头戴耳机等以充电电池驱动的产品上使用,但在利用纽扣电池驱动的产品上持续使用一定时间后,耗电就会过高(图4)。

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图4:实现无需充电的“蓝牙手表”
以往的蓝牙手表虽然嵌入了邮件正文显示等各种功能,但同时又存在耗电大,要使用锂离子充电电池并频繁充电的问题。而BLE尽管需要限定功能,但目标是利用纽扣电池驱动2年。

  而ANT及BLE是以利用纽扣电池驱动为前提来制定标准的,因此能够在手机及可穿戴式传感器等电子产品上轻松使用。峰值输出时的消费电流均为10mA左右,只需以往近距离无线方式的1/5~1/10。“嵌入手表时,原来的蓝牙必须要有充电电池才行,机壳往往因此变大。而且还需要充电。很多人们都说‘搞的都不像手表了’”(卡西欧计算机羽村技术中心开发本部钟表事业部模块开发部副主管长岛贞夫)。

  从卡西欧计算机支持BLE的试制手表来看,峰值电流值约为10mA,数据收发所需时间(从待机模式启动开始,到数据收发结束后恢复待机模式的时间)最长也不过300μs左右。据称,该试制手表用内置的纽扣电池驱动BLE的话,两年内无需更换电池(图5)注4)。

注4)据卡西欧计算机介绍,目标是进一步降低耗电,根据使用方法的不同,有时可将BLE的峰值电流值控制在2mA左右。通过将耗电降至这一水平,力争使太阳能电池驱动的手表也可配备BLE。原因是太阳能电池驱动的手表所使用的CTL(钴钛锂)充电电池,其输出的峰值电流值仅为数mA。卡西欧计算机预计“在不远的将来就会实现”。

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图5:卡西欧计算机提出的“智能手表”
卡西欧计算机在2011 International CES展示的未来概念。打算以支持BLE的手表为核心,开拓健身及安全等各种用途。(图片由卡西欧计算机提供)

体温计及体重计也要无线化

 原因②是指,不仅ANT及BLE的无线收发IC能够采购到,而且应用规范从最初起就按各种用途缜细做了准备,导入电子产品时门槛较低。

  比如,与手机和保险电子产品连接的话,就有“体温计用”、“体重计用”及“血糖仪用”等多种应用规范。此外,还有防止手机遗落的应用规范,以及使手机与手表实现时间自动同步的应用规范等细分应用规范。而以前的蓝牙即使备有应用规范,有时用途也不明确,存在难以确保相互连接性等课题。

  原因③是指,ANT及BLE今后会被配备到多数手机及智能电话上。比如,在BLE方面,涉足蓝牙用IC的半导体大厂商将在该IC上标配BLE功能。“今后我们供应的Bluetooth用IC将全部支持BLE。2012年下半年以后的蓝牙智能电话估计几乎都会带有BLE功能”(英国英桥无线电子(CSR)日本公司代表董事社长横山崇幸)。

  而ANT方面,除了索尼爱立信已宣布要利用之外,今后还将有高通的平台及三星电子的产品进行配备。而能够作为标准功能嵌入智能电话,正是手表及保健电子产品开发厂商积极利用近距离无线技术的一大原因。

外设产品市场将扩大

  低耗电型近距离无线技术容易使用的话,智能电话外设产品以及戴在身上使用的保健电子产品等市场无疑将会扩大。而且,向电视遥控器等AV外设产品推广的可能性也很大注5)。

注5)尤其是在手表方面,受关注的是通过配备近距离无线技术与智能电话实现时间同步功能。卡西欧计算机积极表示,“在无法使用电波表的全球各地,只要用户的手机接入手机网,手表就会自动修正到正确的时间。从手表进步的意义上说,这可谓是一项创新。我们将利用这一机会,创造出‘智能手表’这一手表种类”。

  另外,还有助于实现以连接这些外设产品为前提的、智能电话应用软件以及各种云计算型互联网服务(保健领域等)的多样化。

  比如,先锋在2011年1月于美国拉斯维加斯举行的“2011International CES”上,展出了支持ANT和3G通信的便携终端试制机(图6)注6)。通过与保健服务提供商Yellow Digital Health Lab的系统组合,可经由ANT无线通信,将用户骑自行车移动时的位置信息、车速及用户心跳数收集到便携终端上,由服务器来管理。展示的概念是:通过由近距离无线连接到的“传感器装置”来获取各种信息,将云计算服务内容做的更加细致。今后,以利用ANT及BLE为前提的服务提供商及手机运营商的举措将进一步增多。(未完待续,记者:蓬田 宏树)

注6)利用高通(Qualcomm)超小型3G通信模块“IEM(Internet of Everything Module)”。

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图6:与云计算服务联动
先锋开发出了支持ANT的便携终端,并在Yellow Digital Health Lab公司设在2011 International CES上的展台进行了展出。ANT用收发IC由Nordic Semiconductor公司提供,3G通信模型由高通提供。图中列出了Yellow Digital Health Lab在处理保健信息的云计算服务中利用ANT信息的示例。

ANT在运动领域具有优势,BLE应用规范还在制定

  ANT和BLE作为低耗电型近距离无线方式备受关注。随着设备厂商的关注度提高,在无线通信领域具有优势的半导体厂商开始扩充支持两方式的收发信IC产品群。其中主要包括供手表及小型保健电子产品等以纽扣电池驱动的产品使用的IC,以及供智能电话及平板终端等配备更大电池的产品使用的IC(表1,表2)。

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  比如,手表及小型保健终端使用的是只用于实现ANT或BLE功能的专用IC(单模式IC)。而智能电话及平板终端则朝着在配备无线LAN及现行蓝牙功能的同时,还增加BLE及ANT功能的多功能化方向发展。

  设备厂商将根据想要在产品上实现的用途,从ANT和BLE中进行适当选择后加以利用。应用规范已被定义的ANT适用于快速向市场投放产品时。而重视与手机及各种数字家电之间的未来连接性的话,采用BLE则更为有利。另外,也有像美国德州仪器(TI)那样发布兼具ANT和BLE两种功能的IC产品的厂商,设备厂商的选择范围在不为扩大。

  下面来看一下ANT和BLE的技术特点以及可利用的应用规范。

ANT:可用2KB存储器来保存

NT是规定了通信网络的拓朴及访问控制方式等的协议,规定不包括物理层。从OSI参考规范看,是对第2层到第5层的一部分做了规定(图7)。数据收发时的最大数据包长度仅为数十字节,实际最大数据传输速度只有20kbit/秒。可以说,该协议很适合对小容量数据进行交换的传感器装置等使用。

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图7:300多家公司致力的“ANT+”
ANT的应用规范对OSI参考模型的第2层到第5层的一部分进行规定。将高层中包括应用在内的部分也作为“ANT+”来提供(a)。目前正在制定活动量计等的应用规范(b)。

  该协议的特点在于,实现ANT功能时所需要的协议堆栈软件的容量较小。据ANT业界团体介绍,2KB左右的存储器就足可存下协议堆栈。“比如,即使包括主要协议堆栈和步速计用应用规范的软件在内,也只需10KB的存储器就够了。而原来的近距离无线标准不同,即使有64KB的存储器,恐怕也装不下”(推进ANT的某厂商的负责人)。

在ANT领域Nordic公司为主角

  Dynastream公司将该协议授权给了在RF IC领域具有优势的挪威Nordic Semiconductor公司。因此,目前市面上的支持ANT的电子产品大部分使用的都是Nordic Semiconductor公司的ANT用收发IC。

  Nordic Semiconductor公司的ANT用收发IC是内置有ANT协议堆栈软件的单芯片IC。在2.4GHz频带下收发电波。比如,该公司最新的ANT用收发IC“nRF24AP2”,其消费电流在峰值时为15m~17mA,平均为5.45μA注7)。

注7)Nordic公司的IC据称通过RF电路使用的PLL频率合成器等电路块降低了耗电。比如,该公司的自主方式的PLL“一旦使频率及相位同步(使之锁定),就会以很短的间隔强制解除锁定。这样一来,与始终锁定时相比,就能够降低消费电流”(Nordic Semiconductor日本区域经理山崎光男)。

应用开发无需授权

  ANT以支持该协议的电子产品为对象,备有面向各种运动用小型传感器的应用规范,比如赛跑速度测定用规范以及自行车踏板转数测定用规范等,这些规范已被德国阿迪达斯公司(Adidas) 及芬兰松拓公司(Suunto)采用。ANT将含有这些应用规范的应用平台命名为“ANT+”。另外,为了应用于保健用途,今后还将准备供血压计及活动量计使用的应用规范。

  ANT的开发环境也迅速建立起来。为了能够以无偿授权方式来开发支持ANT的产品以及支持ANT+的应用软件,业界团体ANT+Alliance于2011年2月更改了相关规定。另外,松下已开始面向支持产品的开发活动受理收发模块的订单,而且精工爱普生也使该公司的16bit CPU“S1C17系列”实现了对ANT的支持(图8)。

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图8:ANT的利用环境趋于完善
(a)为松下制造的收发模块“PAN1327”。外形尺寸为9mm×9.5mm×1.8mm。使用德州仪器制造的IC“CC2567”,同时支持ANT和蓝牙。(b)为精工爱普生的16bit CPU“S1C17系列”的评测板卡。可应用于ANT无线模块的应用开发等。

BLE:缩短峰值输出时间

  BLE与ANT不同,是对物理层到上层应用层都进行规定的协议。在2.4GHz频带下利用跳频方式的频谱扩展技术来发送电波,这一点与现行蓝牙相同。调制方式与原来一样,仍使用GFSK(Gaussian filtered FSK)。而且,最小接收灵敏度的规定以及名义上的传输距离也未改变(表3)。

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  与现行蓝牙不同的是,BLE跳频利用的信道数量从原来的79个减少到了40个,信道间隔也随之扩大到了2MHz。另外还将最大发送功率规定为+10dBm。

  BLE可使耗电降低的原因之一在于,将数据收发所需要的时间缩短到了仅为原来1/2以下的300μs左右。大幅缩短了峰值输出所需要的时间,从而延长了处于待机状态的时间,减少了消费电流。因此,将收发的数据包的最大长度缩短到了仅为现行蓝牙的1/8左右。这样,实际最大数据传输速度就降低到了约300Kbit/秒。

  BLE在协议堆栈软件上也存在与现行蓝牙不同的地方(图9)。不同点主要在于,为了便于执行面向BLE低耗电模式的各种新规范,增加了相关的会话层及测试标准。其中,在GAP(Generic Access Profile)的低层设置了名为GATT(Generic Attribute Profile)的层,以便对各种要求低耗电的应用规范进行会话控制。

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图9:BLE的协议堆栈
列出了BLE利用的协议堆栈的构成。①~④是面向BLE进行过变更或追加的部分。除了新的应用规范,还备有用于控制通信会话的专用协议堆栈“GATT”等。

推进蓝牙标准化工作的Bluetooth SIG设立了面向各种终端应用的标准化工作分会,正在制定新的应用规范。其中,“PUID”和“Medical Devices”对设想利用BLE的应用规范展开积极制定(表4)。
 

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  在PUID中,卡西欧计算机及西铁城钟表等钟表厂商,以及美国苹果及芬兰诺基亚等手机厂商正在制定用于将手表与智能电话连接起来的标准。已有部分应用规范接近制定完成,比如使手表与手机实现时间同步的“Time”、在遗落手机等时发挥作用的“Proximity”(可计测电子产品间的距离),以及忘记手机放在何处时通过操作手表来寻找的“Find Me”等。

  Medical Devices正在制定用于无线连接各种保健终端及医疗用小型电子产品的应用规范。预计将在2011年上半年制定完成与心率计连接的“Heart Rate Monitor”,以及供体重计使用的“Weight Scale”等规范。

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