物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)造一片藍(lán)海無線通訊協(xié)定百家爭鳴

　　在設(shè)計(jì)物聯(lián)網(wǎng)(Internet of Things, IoT)裝置與系統(tǒng)時(shí)，可選用許多種不同的無線通訊協(xié)定來實(shí)現(xiàn)與云端間的通訊。在眾多選擇中，可以根據(jù)其有效覆蓋范圍、傳輸距離與資料速率等各項(xiàng)能力，判定適用于特定應(yīng)用的最佳選擇。

　　時(shí)至今日，在設(shè)計(jì)物聯(lián)網(wǎng)(Internet of Things, IoT)裝置與系統(tǒng)時(shí)，可選用許多種不同的無線通訊協(xié)定來實(shí)現(xiàn)與云端間的通訊。雖然蜂巢與無線區(qū)域網(wǎng)路正在不斷演進(jìn)，以滿足物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用需求，但仍有許多新興技術(shù)鎖定該類應(yīng)用，使得技術(shù)選擇不斷增加。在眾多選擇中，可以根據(jù)其有效覆蓋范圍、傳輸距離與資料速率等各項(xiàng)能力，判定適用于特定應(yīng)用程式與情況的最佳選擇。

　　物聯(lián)網(wǎng)市場需求大各類技術(shù)紛紛涌入

　　對應(yīng)用開發(fā)者而言，評估無線通訊技術(shù)是否適用的一項(xiàng)最重要考量就是傳輸距離。許多裝置會使用含有寬頻連線的閘道將資料傳輸至云端，或從云端擷取資料。若應(yīng)用架構(gòu)中有閘道器存在，便能夠使用傳輸功率較低的短距通訊協(xié)定。在多數(shù)情況下，部署閘道器可能太困難或因?yàn)槌杀咎叨y以實(shí)現(xiàn)，例如，若將一組感測器部署于開放水域的大型水庫或列車軌道沿線，便會因?yàn)楦袦y器節(jié)點(diǎn)過于分散而難以利用閘道進(jìn)行傳輸。

　　現(xiàn)今，此類高度分散的感測器與量表若非使用千兆赫以下(sub-GHz)的免執(zhí)照頻段中的蜂巢連線，就是使用專屬通訊協(xié)定進(jìn)行連線，例如868MHz。此領(lǐng)域正經(jīng)歷著重大的變革，原因是因?yàn)槭袌鲂枰艹晒?dǎo)引物聯(lián)網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)以及電訊業(yè)者的策略性變更。當(dāng)電訊業(yè)者尋求最大化自己已獲授權(quán)的頻譜配置時(shí)，市場也希望他們能將現(xiàn)有的千兆赫以下全球行動通訊系統(tǒng)(GSM)網(wǎng)路切換為支援長程演進(jìn)計(jì)畫(LTE)網(wǎng)路，因?yàn)檫@些新一代通訊協(xié)定的頻譜效率較高。

　　為支援機(jī)器對機(jī)器(Machine to Machine, M2M)與物聯(lián)網(wǎng)通訊的成長需求，各家廠商紛紛提出數(shù)項(xiàng)以LTE為基礎(chǔ)的蜂巢協(xié)定。短期來說，Cat-M提供一種較簡潔的LTE形式，適用于物聯(lián)網(wǎng)裝置，提供多達(dá)1Mbit/s的資料速率，并可存取已普及化的蜂巢網(wǎng)路。

　　然而，在未來的2或3年內(nèi)，第三代合作伙伴計(jì)畫(3GPP)定義的窄頻物聯(lián)網(wǎng)(NB-IoT)將可能為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用提供更妥適的網(wǎng)路支援，有助于降低裝置與營運(yùn)成本NB-IoT使用約200kbit/s的較低資料率，并在難以存取的位置，例如埋在地底下的儀表，有更好的網(wǎng)路存取性。

　　窄頻物聯(lián)網(wǎng)興起LoRa/SIGFOX被看好

　　LoRa和SIGFOX主要在免執(zhí)照的頻譜中運(yùn)作，提供蜂巢以外的收發(fā)器設(shè)計(jì)和定價(jià)模式選擇。現(xiàn)今的電訊業(yè)者皆根據(jù)資料使用量進(jìn)行收費(fèi)，而支援免執(zhí)照頻段的商務(wù)營運(yùn)商則可采用固定費(fèi)率的模式，低至每年每臺裝置1元的水平。

　　LoRa是由Semtech所開發(fā)的技術(shù)，透過自己的網(wǎng)路基地臺以及挑選新創(chuàng)的商務(wù)營運(yùn)商，為物聯(lián)網(wǎng)使用者提供豐富的網(wǎng)際網(wǎng)路存取選擇，借以提供良好的控制性，而且有可能降低成本。其中，LoRa網(wǎng)路在阿姆斯特丹僅花約6周就利用群眾外包(Crowdsourcing)建設(shè)了The Things Network，世界各地城市也可以重復(fù)這種模式。

　　微芯(Microchip)與意法半導(dǎo)體(STMicroelectronics)以及Semtech的裝置均支援LoRa技術(shù)，發(fā)射頻率距離可達(dá)約10公里，因此在用于埋在地底下的裝置例如停車收費(fèi)表和水表時(shí)，相較于傳統(tǒng)無線電系統(tǒng)具有優(yōu)勢。對于來自其他免執(zhí)照頻段使用者干擾的抗性，則可透過展頻調(diào)變方式改善，資料速率范圍從300bit/s至50kbit/s，與現(xiàn)有的整體封包無線電服務(wù)(GPRS)連線類似。

　　另一方面，SIGFOX采用超窄頻發(fā)射技術(shù)來限制功率，在郊區(qū)環(huán)境可達(dá)到50公里的發(fā)射距離，且資料速率范圍為10bit/s至1kbit/s之間。不同于其他多數(shù)的通訊協(xié)定，SIGFOX是單向的鏈路。此鏈路可用最小化物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的耗電量，因?yàn)闊o須喚醒射頻(RF)收發(fā)器以及長時(shí)間接聽傳入的通訊，但是，此鏈路的限制是無法使用傳統(tǒng)SIGFOX收發(fā)器遠(yuǎn)端來更新節(jié)點(diǎn)中的軟體，因此須要使用另外一個(gè)無線電發(fā)射器進(jìn)行更新。

　　然而，專為免執(zhí)照的工業(yè)、科學(xué)與醫(yī)療(ISM)頻段所設(shè)計(jì)的一些射頻收發(fā)器，能處理相對簡單的SIGFOX發(fā)射需求。已宣布使用SIGFOX為物聯(lián)網(wǎng)提供連線能力的解決方案供應(yīng)商包括安森美(On Semiconductor)與其AX-SIGFOX單晶片解決方案，以及銷售自家生產(chǎn)SmartEverything開發(fā)板的艾睿電子(Arrow Electronics)適用于物聯(lián)網(wǎng)與M2M應(yīng)用的Arduino大小尺寸的原型開發(fā)平臺。

　　受惠免持照頻段IEEE 802.15.4看俏

　　對于由閘道支援的短距通訊，2.4GHz的免執(zhí)照頻段已成為了無線網(wǎng)路連線的首選。藍(lán)牙(Bluetooth)與Wi-Fi皆使用2.4Ghz頻段，這個(gè)頻段也提供頻譜以供專為物聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)的通訊協(xié)定使用，例如6LoWPAN與Thread。6LowPAN、Thread與ZigBee和Wireless HART皆以美國電子電機(jī)工程師協(xié)會(IEEE) 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)為主要基礎(chǔ)。

　　IEEE 802.15.4的核心標(biāo)準(zhǔn)支援長達(dá)10公尺的發(fā)射距離，傳輸速率為250kbit/s，且可以運(yùn)作于千兆赫以下的免執(zhí)照頻段和2.4Ghz頻段。6LowPAN將一組上層通訊協(xié)定加入與網(wǎng)際網(wǎng)路通訊協(xié)定(Internet Protocol, IP)相容的IEEE 802.15.4核心標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)允許來自云端以IP為基礎(chǔ)的標(biāo)準(zhǔn)通訊，以使用如TCP、HTTP、COAP與MQTT這類標(biāo)準(zhǔn)來與物聯(lián)網(wǎng)邊緣裝置連線。為了將花在物聯(lián)網(wǎng)資料傳輸上的通訊協(xié)定的系統(tǒng)開支降到最低，6LowPAN采用標(biāo)頭壓縮與其他資料封裝技術(shù)。

　　為增加節(jié)點(diǎn)與閘道的最大距離，6LowPAN支援網(wǎng)狀網(wǎng)路(Mesh Network)連線功能。透過網(wǎng)狀網(wǎng)路拓?fù)?，離閘道太遠(yuǎn)以至無法連線的節(jié)點(diǎn)得以透過距離較近的實(shí)體裝置來中繼封包，直到其中的一個(gè)節(jié)點(diǎn)能直接與閘道連線為止。因?yàn)榫W(wǎng)狀網(wǎng)路連線功能會動態(tài)分析網(wǎng)路的可路由機(jī)制，因此網(wǎng)狀網(wǎng)路會自動設(shè)定新的裝置，這樣一來，網(wǎng)狀網(wǎng)路就可以運(yùn)用系統(tǒng)已得知的使用模式。

　　建置于6LowPAN之上的Thread通訊協(xié)定于2014年推出，提供進(jìn)一步的物聯(lián)網(wǎng)功能，例如驗(yàn)證與加密，借以提升整體安全性。然而，在多數(shù)情況下，簡易的軟體升級可讓Thread在支援IEEE 802.15.4的裝置上執(zhí)行，例如創(chuàng)立Thread Group的芯科實(shí)驗(yàn)室(Silicon Labs)所制造的裝置。

　　雖然IEEE 802.15.4已成為各種物聯(lián)網(wǎng)導(dǎo)向網(wǎng)路通訊協(xié)定的核心基礎(chǔ)架構(gòu)，但是藍(lán)牙也是一個(gè)要考量的主要標(biāo)準(zhǔn)。由于智慧型手機(jī)、平板電腦與筆記型電腦普遍使用藍(lán)牙，因此可提供透過應(yīng)用程式控制與設(shè)定物聯(lián)網(wǎng)裝置的重要機(jī)制。

　　此外，多虧了對藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)的強(qiáng)化，藍(lán)牙也成為了物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的主要通訊協(xié)定，且無須依賴智慧型手機(jī)連線能力。導(dǎo)入低功耗藍(lán)牙技術(shù)的支援模式可大幅降低傳輸小量資料的耗電量，使短距網(wǎng)路通訊協(xié)定更適用于物聯(lián)網(wǎng)方面的應(yīng)用。

　　今年預(yù)計(jì)將會新增進(jìn)一步功能變更，能將一般的發(fā)射距離延長四倍，以減低位元速率來換取更長的距離。這個(gè)具有調(diào)適性的通訊協(xié)定可讓距離較近的節(jié)點(diǎn)群運(yùn)用更高的位元速率，最多可達(dá)低功耗藍(lán)牙1Mbit/s標(biāo)準(zhǔn)頻寬的兩倍。

　　網(wǎng)狀網(wǎng)路連線功能預(yù)計(jì)可改善藍(lán)牙裝置遠(yuǎn)距離的通訊能力。針對藍(lán)牙所規(guī)劃的網(wǎng)狀網(wǎng)路連線功能，會根據(jù)2013年發(fā)布的4.1版Scatternet概念進(jìn)行延伸。

　　Scatternet讓每個(gè)節(jié)點(diǎn)能夠在主要和從屬模式間切換，使封包能傳送至其他從屬或主要節(jié)點(diǎn)，以達(dá)到與目的收發(fā)器連線的目的。此外，近期的藍(lán)牙通訊協(xié)定變更，能夠和6LowPAN無線通訊協(xié)定裝置進(jìn)行互動，從而延伸了網(wǎng)狀網(wǎng)路的覆蓋范圍。

　　標(biāo)榜高資料速率Wi-Fi也來分一杯羹

　　最后來談?wù)刉i-Fi這個(gè)可進(jìn)一步應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)的選擇。相較于大多數(shù)物聯(lián)網(wǎng)通訊協(xié)定，現(xiàn)有的Wi-Fi版本能支援較高的資料速率，適用于建筑物安全監(jiān)控的影像傳輸?shù)葢?yīng)用。負(fù)責(zé)Wi-Fi通訊協(xié)定的IEEE工作小組現(xiàn)正著手研發(fā)IEEE 802.11ah版本，此版本將大幅降低耗電量，且能以降低資料速率來延長傳輸范圍，在每個(gè)頻道100kbit/s的速率下，有效距離超過1公里。