【物聯網時代】無線通訊,一百公尺的連線戰爭

作者 | 發布日期 2014 年 11 月 10 日 15:00 | 分類 光電科技 , 物聯網 , 穿戴式裝置
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許多人都聽過網路連線的「最後一哩」,也就是延伸到全台用戶的銅纜線路,在光纖時代則是光纖線路,有了「最後一哩」才有全台灣的電信線路。在即將來臨的物聯網時代,「最後一哩」則有了全新的定義:也就代表著在最終端,每個人身邊一百公尺的無線連接技術,而這不但是兵家必爭之地,同時也與物聯網的發展息息相關。




物聯網帶有「物物相聯」的涵義,總體而言,就是要所有的設備都能透過各種方式連上網路、或是能夠透過某些裝置相互連線而發揮作用,例如將冷氣透過家中的光纖與手機連線,讓你可以在外面就監控家中溫度並決定是否先將冷氣打開等,就是物聯網的簡單應用範例。

什麼是「一百公尺」的距離?

那到底一百公尺的連線距離是什麼?為什麼對物聯網這麼重要,我們可以用下面的圖片簡略說明:目前網路連線大略可分為四種模式:包括個人網路(Personal Area Network,PAN)、區域網路(Local Area Network,LAN )、鄰近網路(Neighborhood Area Network,NAN )以及廣域網路(Wide Area Network,WAN )這四種,其中 PAN 與 LAN 就是本篇所要探討的,同時也是物聯網中所謂「一百公尺」的無線通訊範圍。

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所謂「物聯網的連線」不是指你家的沙發、電視都能直接接上 3G 或 LTE 等廣域基地台,這樣不但浪費功率、提高設備成本,同時也沒有必要,因此這「一百公尺」的距離就是靠一些無線短距通訊標準連結,讓裝置可以間接連上網際網路,比所有裝置都具備網際網路連線能力還實際,同時也不會浪費更多的資源。

以物聯網發展的情況來說,無線通訊技術必須要滿足下面幾點需求:

  • 低成本:因為許多設備的感測器都是低成本的小型設備,才能夠更快速地普及,同時為了節省體積與成本,也必須要讓無線通訊晶片與應用程式能同時使用微控制器運算。
  • 低功率:你不可能要家裡所有的裝置都插電,因此低功耗也會是無線通訊技術的基礎,連結耗費的電力低,也才可能讓電力維持更長久──或是讓某些較低功的能量收集技術成功。
  • 進入門檻低:必須要讓裝置輕易連結裝置或網際網路。
  • 安全性:萬物連線意味著許多設備也可能受到攻擊,因此相關的認證與加密也絕對不能缺席。
  • 多樣支援性:要能夠有更多的支援性,例如連線到 iOS、Android、Windows,或是 PC、Mac 甚至 Linux 等系統,更多樣化的支援,也會讓整個物聯網系統更加方便。
  • 能支援各種領域的標準:物聯網技術的標準相當重要,例如三星跟英特爾等公司的 OIC 聯盟;還有 Linux、高通、松下、微軟等公司組成的 Allseen 聯盟等,都是目前的熱門選擇,這情況有點像是 HD-DVD 與藍光光碟之爭,但最終應該會有一個全面互通的標準出現,而這些標準也將支援大部分該有的無線通訊技術。

在這「一百公尺的距離中」,目前主要傾向是以星狀或網狀拓樸兩種模式彼此連結:

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▲ 左邊是星狀拓樸,右邊是網狀拓樸示意圖。

星狀拓樸是將所有裝置連接到一個中心節點裝置(例如手機或平板 ),而該中心節點也可以連線到網際網路上;網狀拓樸則是每個物品都是一個節點,節點之間可以彼此連接到其他節點。

星狀拓樸比較符合一般人對物聯網的觀念,例如所有裝置都連結到手機或平板上,使用手機或平板就可以遙控這些裝置,例如用手機遙控電視、冷氣,甚至是調整沙發傾斜的角度等,都是星狀拓樸的應用概念。但使用星狀拓樸的缺點,在於中央裝置如果發生問題,很可能造成所有裝置也無法使用。

在網狀拓樸中,每個節點都可以跟其他多個節點連接,並彼此協助連線,即使一個裝置正在忙碌或沒有發生作用,另外一個裝置也可以補上(有點類似 FireChat 的設計原理),但相較之下網狀拓樸設計比較複雜,裝置的應用撰寫較困難、同時也會提高成本。

目前來說,目前物聯網的無線通訊最大挑戰,是讓不同的廠商設備都能夠彼此連線,為了面對這個問題,許多正在進行連線標準的組織或聯盟也正在發展新設計,以保證設備彼此之間的相容性能夠提高,而這也才能真正加速物聯網的發展。

 

 IP 化的差異

當然,物聯網就是希望所有的設備都能連線到網際網路上,而這也必須讓所有物聯網的設備都能過透過 IP 連線到網路進行數據交換。就算是使用非 IP 協議連線的區域網路設備,也可以透過閘道連接到網路上,或是讓使用 IP 與不使用 IP 協議的設備相互通聯。在這種情況下,閘道必須要能夠將區域網路的數據以 TCP/IP 協議重組或撰寫,好讓區域網路的設備也能夠連上網路。

如果設備本身就是使用 IP 連線,就代表閘道不需要修改任何韌體即可讓裝置相互連結──例如我們的筆記型電腦在安裝新的網路應用程式時,完全不需要更新我們的家庭網路,是因為電腦本身就使用 TCP/IP 協議,而路由器只需要擔負連線的功能而無須做任何修改。

Print▲  透過閘道 ( Gateway ) 的各種連線方式。

另一方面則是以家中的警報系統為例,通常警報系統會有一個安全相關的感應器,可以偵測你的家中是否安全,如果發現有盜賊破門而入進入家中時,感應器會將偵測的結果傳到警報器上,而警報器就必須透過 TCP/IP 才有辦法把相關資訊傳送到你的手機上,但感應器與警報器之間不見得是使用 TCP/IP 協議傳輸──事實上,感應器與警報器之間也沒有必要透過網路傳輸。

其實讓物聯網設備都連上網路這件事情已經不是很困難的事,TCP/IP 這種相對成熟的協議,可以減少設備間需要透過有轉換功能的閘道才能彼此連線的問題。但相較於不透過 TCP/IP 的協議的設備來說,想要讓設備透過 TCP/IP 協議連線,需要相對較好的處理器以應付較為複雜的設定,這也意味著成本更高,也必須要耗費更多的功率發送與接收資料。

也因為如此,不透過 TCP/IP 連線協議的無線通訊也不斷發展與更新,許多廠商也寧願使用比較簡單的特殊無線通訊協議以降低成本。

Print ▲  目前在「一百公尺」內的連線還沒有完備。

 

連線標準 IEEE 802.11

成立於 1963 年的「電機電子工程師學會 The Institute of Electrical and Electronics Engineers(簡稱 IEEE)」,於 1997 年為無線區域網路制訂了第一個標準 IEEE 802.11,此後這個標準也成為最通用的無線網路標準,802.11 催生出了 Wi-Fi ,同時也因為版本的更新而讓 Wi-Fi 能有更進步的速度,而 802.15.4 則定義出了一些「無線個人網路 WPAN」的連線標準,其中也包括了 ZigBee、6LoWPAN 與 WirelessHART,在加上以 802.15.4 標準所推出的藍牙,就成為這一百公尺戰爭中的主要競爭者。

Wi-Fi

以 IEEE 802.11X 標準發展出的最主要技術,主要是由 Wi-Fi 聯盟所推動,最早 Wi-Fi 就是要與網路連結而發展出來的技術,因此 Wi-Fi 同時也包含著 TCP/IP 協議,因此也需要使用 TCP/IP 協議才能夠連接。

拜筆記型電腦、智慧型手機、平板電腦三者的巨大成功,Wi-Fi 也因此得以發展成熟,即使是 LTE 開始發展的現在,Wi-Fi 也仍然保持著一定的優勢,同時也是一個發展上相對成熟的技術。Wi-Fi 主要是以星狀拓樸結構為主,高功率的 Wi-Fi 通常足以涵蓋一般家庭的公寓大小,而在企業或辦公室的區域中,通常會佈置多台 Wi-Fi 以增加覆蓋率。

  Print▲  Wi-Fi 基地台可說是目前讓物聯網設備連線到網路上最方便的選擇。

包括 ISM 2.4GHz 頻段與 5GHz 頻段, Wi-Fi 的傳輸速率遠高於其他無線傳輸技術,但由於需要包含 TCP/IP 協議的標準,因此能夠使用 Wi-Fi 的設備通常得包含 MCU(微控制器;Microcontroller Unit)與大量的記憶體,包括筆記型電腦、智慧型手機自然是輕鬆達到 Wi-Fi 的需求,但如果是像自動恆溫器或家電等不需大量運算的物聯網設備來說,使用 Wi-Fi 連線的成本效益就相對過高。

但矽半導體技術則成為 Wi-Fi 的重要突破口,新技術減少了 MPU 的開支,同時也讓 MCU 就足以內含無線連結網路的能力,同時也解決了 Wi-Fi 的耗電問題,畢竟為了實現高速傳輸以及室內覆蓋率,Wi-Fi 的耗電量相比其他技術來看是較大的──而且在傳輸上的峰值電流幾乎沒辦法減少,但矽晶體技術讓 Wi-Fi 可以利用休眠、快速開關等方法降低平均的功耗。

一些降低不必要電耗的方式成為 Wi-Fi 省電的基礎,由於大多數物聯網產品都不需要 Wi-Fi 如此高速的數據傳輸,因此電源管理設計可以讓 Wi-Fi 的電量消耗有顯著的降低,同時也能輕易地應用在例如智慧型手錶、手環等體積較小的設備上,並且利用 Wi-Fi 輕易連到網路上傳輸數據。

Wi-Fi 能連接的也是一大優勢,許多 Wi-Fi 的基地台宣稱可以同時連接 250 個設備,企業級的基地台可以擁有更大的連接數據,就連消費型的 Wi-Fi 基地台都可以有接近 50 個裝置連接的水準,因此在整個物聯網時代中,Wi-Fi 很難成為完全標準,比較有可能成為整個家庭的連線節點或中繼站。

 

藍牙

藍牙主要是作為「個人區域網路」為主,於 1994 年由易利信發展,並在之後獲得其他業界公司支援,最終發展成「藍牙技術聯盟」。藍牙技術聯盟與 IEEE 達成協議,在 2001 年正式列入 IEEE 802.15.1 標準,此後該標準就由藍牙技術聯盟所發展,也因為列入了 IEEE 標準,讓藍牙迅速獲得了各家廠牌的支持。此後藍牙幾乎成為所有手機必備的標準。

最早藍牙主要是用於短距離的通訊,功耗遠比 Wi-Fi 還低,同時也有一定的數據傳輸量,現今藍牙主要是以點對點傳輸為主,並針對一對一連線最佳化,但其實藍牙也可以支援星狀拓樸結構,支援一對多的連線。

在 2010 年推出的藍牙 4.0 規範改變了藍牙傳統的思維,一開始推出的 4.0 標準主要是以「低功耗」作為號召,但其實 4.0 是第一個綜合協定規範,納入了 Nokia 開發的 Wibree 低功耗無線通訊技術,而 Dual Mode 也能夠讓藍牙 4.0 向下相容。

bt40-ecosystem▲ 藍牙已經有一 定的市占率,也是目前最有優勢的無線通訊標準。(圖片來源:mbientlab

低功耗藍牙也讓藍牙能夠再應用於更多智慧型裝置,低功耗的特性大大地打開了藍牙的市場,除了智慧型手機與平板電腦以外,藍牙也涵蓋了健康,遊戲、汽車的新應用,甚至可以提供地理位置與地標的基礎功能。

而在物聯網即將爆發的時代,藍牙也在今年不斷提出全新的願景,除了將支援 IPv6 並透過 IP 管理實現網狀拓樸架構外,也將大幅改進資訊安全性問題,甚至打算與 NFC 合作推出相容標準,並且改善傳輸距離過短的問題(事實上這個問題已經在藍牙 4.0 中改善)。以藍牙目前的市場覆蓋率來說,它很有機會成為物聯網時代的無線通訊霸主。

蘋果的 iBeacon 也是基於支援低功耗藍牙之下的通訊技術,但蘋果利用 BLE 技術傳送資訊,因此可以傳遞 ID 相關資訊,讓採用同樣技術的信號得以辨識不同的設備與裝置。

 

ZigBee

以蜜蜂為名的 ZigBee,名字可說是完全符合了這個通訊技術的特性--網狀結構就如同蜜蜂般相互傳遞,設備間也能夠依靠 ZigBee 技術連結,每個設備都能夠同時支援大量網路節點、同時也能支援多種網路拓樸,而且技術的複雜度低、快速、而且較為安全。目前加入 ZigBee 聯盟的公司有三星、西門子、德州儀器、摩托羅拉、三菱、飛利浦等公司。

ZigBee 歷史其實也不算短,是在 2001 年被納入 IEEE 802.15.4 標準中,是種低傳輸、低功耗、低成本的技術,主要是採用 2.4GHz 的 ISM 頻段,不過 ZigBee 同時也支援 868 MHz 與 915 MHz 頻段。ZigBee 的傳輸量約為 250kbps,但通常都不會用到這麼多數據傳輸量,而 ZigBee 的長時間休眠功能與省電能力也令人讚嘆,只要一顆鈕扣電池就可以使用年餘,因此也有 ZigBee 設備是採用無電池模式,只需要一些能量採集科技就能供應足夠的電力。

ZigBee 本身並沒有自行連接到網路上的機制,因此只能利用節點(例如 Wi-Fi)連接到網路上,而不能自行連網。

低功耗、網狀結構、安全是 ZigBee 的三大魅力,但相較於已經被掌握的藍牙來說,ZigBee 在應用上的難度較高,而初創事業一般來說也大都會寧願投入已經有一定市占的藍牙,而不見得願意選擇 ZigBee 當作連線標準。也因此 ZigBee 聯盟已經轉了方向,主要是以發展 802.15.4 協議為主,而該聯盟所發展的 SEP 2.0 智慧電網標準已經廣獲採納,很可能會成為智能電網的主流標準。

 Zigbee_5icons_rings▲ ZigBee 的網狀結構與安全性都是此標準的魅力。(圖片來源:ZigBee.org

 

6LOWPAN

與 ZigBee 同樣採用 802.15.4 的無線通訊標準,6LOWPAN 是屬於比較新穎的技術,但與 ZigBee 最大的不同點,則是 6LOWPAN 打破了無線通訊低功耗的專用協議,一開始就以低功耗且可連線到 IPv6 做為坐大的號召,而且由於加密方式與 ZigBee 採用同樣的 AES-128,相對之下也較為安全。

跟 Wi-Fi 一樣,6LOWPAN 主要是使用 2.4 GHz 的頻段(同時也支援 868 與 915 MHz 頻段),但發射功率只有 Wi-Fi 的 1%,這也使得 6LOWPAN 的傳輸距離因此而受到了限制,必須利用類似 ZigBee 的網狀拓樸結構,利用多台設備一起連線,才能減少障礙物、並讓訊號可以傳遞的更遠。

隨著 IPv4 已經不敷使用,IPv6 將會成為往後物聯網的重要標準──因為物聯網的發達,必然伴隨而來龐大的 IP 位置,能夠在 802.15.4 的低功耗標準下,透過 Wi-Fi 基地台連線至網際網路,是 6LOWPAN 標準最大的魅力。

Zigbee 聯盟也在新的 SEP 2.0 應用協議中加入了 6LOWPAN 的支援。

 

802.15.4 有巨大潛力,但藍牙是其最大障礙

其實相比於傳統的藍牙、Wi-Fi 來說,802.15.4 協議超低功率的連線方式,似乎更適合使用於物聯網的使用模式,但藍牙也不會輕易讓出目前的霸主地位,尤其是藍牙在 4.0 開始加入低功耗、廣域連線(理論值 100 公尺)等重要架構後,朝物聯網邁進的目標更為明顯。尤其是 802.15.4 的連線協議缺乏智慧型手機、平板電腦等行動裝置的支援,會是 802.15.4 協議難以切入的點。

Untitled-1▲ 功耗、傳輸距離與傳輸速率的比較。

根據調研機構 Gartner 提出的數據顯示,未來物聯網的「一百公尺」連線戰爭中,主要將會是以藍牙佔 76%,Wi-Fi 則佔 23% ,等於相當看好藍牙連線的未來發展。不過 ZigBee 聯盟所發展的 SEP 2.0 則已經切入了美國的智慧電網標準,未來 802.15.4 很可能會更往「智慧城市」部分的發展,協助公共設施的物聯網發展,而藍牙則可能切入「智慧家庭」中,成為家庭設備進入物聯網的連線標準。

但在技術不斷進步的情況下,要讓家用無線基地台能夠同時容納低功耗藍牙與 802.15.4 標準也不是難事,但如果無線通訊標準是依靠如 Wi-Fi 般的廣域通訊網路做連結,因為以 802.11x 標準技術的廣域區域網路裝置已被證實不太安全、更容易受到攻擊,通訊技術在不斷發展演化下,都有可能更進步,因此安全性反而會是物聯網未來最終、也最重要的考量。

(首圖來源: Pedro Szekely Flickr CC by 2.0

圖片與參考資料來源:

【物聯網時代專題】

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