IoT無線＆行動通訊技術與應用
- DIGITIMES企劃
-
在物聯網架構中，網路層是銜接感知層與上游應用層的重要中介，能連網的行動裝置與世間萬物，藉由種種無線與行動通訊，向上傳遞感測資料或蒐集的特定訊息，能突破空間束縛的各種無線連網＆行動通訊協定的支援，才是物聯網各種裝置能夠一同發揮智慧戰力的關鍵…
IoT(Internet of Things；物聯網)的應用架構中，第二層的「網路層(Network Layer)」－透過各種區域網路、近距離無線網路(WPAN)、中長距離無線網路(Wi-Fi)或更長的3G/4G行動通訊網路，來傳遞感測的資料？環境訊息。網路層這部份如果再細分，從矽元件供應商提供802.15.4規範的個人無線網路，如ZigBee、Z-Wave、ANT、Bluetooth Smart(BLE)。
更高傳輸速率的802.11無線區域網路(Wi-Fi WLAN)，如2.4GHz頻段的802.11n (300？450Mbps)、5GHz頻段的802.11ac(867Mbps？1.3Gbps)，甚至60GHz頻段的802.11ad(7Gbps)的傳輸速度。此外還有由電信營運業者所經營的無線存取網路(Radio Acess Network；RAN) 所提供的2G、3G(GSM/WCDMA)、4G LTE等行動通訊。
低功耗、短距離無線網路
像是IrDA、ZigBee、6LowPAN、WirelessHART、WIA-PA、ISA100等。紅外線通訊(IR)歷史最悠久，距離大約1？2米，對傳角度限制30度以內。IrDA協會於1993年成立，制定像SIR (Serial Infrared, 9.6K？115.2K bps)模式、FIR (Fast Infrared, 4Mbps)模式等，由於紅外線容易受障礙物遮蔽而導致傳輸中斷，因而逐漸式微。
藍牙技術最早由易立信(Ericsson)於1994年發起，起初應用於手機和配件，後來成立藍牙協會吸引各大ICT廠商加入與推廣。區分出：1. 傳統藍牙(速度1？3Mbps；距離10~100米)，作為訊息傳遞、裝置連線；2. 高速藍牙(Bluetooth HS；8~24Mbps；距離10米)，主攻數據交換與傳輸；3. 低功耗藍牙(Bluetooth Low Energy；BLE；亦稱Bluetooth Smart)則是2010年針對穿戴式裝置、IoT物聯網或工業自動化之低耗電連網需求所提出，距離在30米以內，傳輸速度為1Mbps。
ANT是加商Dynastream Innovations公司所主導，使用鈕扣電池可維持1年以上，應用在體育健身、醫療保健、穿戴式裝置等產品上。其傳輸速度為20Kbps，採自適應同步網路架構，確保各裝置在傳輸時不受其他訊號干擾。而ANT+為ANT的延伸協定，可定義不同廠商產品的裝置參數，以便互享感測器數據資料。
於2005年開始嶄露頭角的ZigBee協定，以IEEE 802.15.4標準規範之無線網狀網路架構，具備低成本、低功耗特性，傳輸速度在250Kbps，距離10？20公尺，廣泛應用在如家用燈控、家庭建築&工廠等自動化，及無線感測網路(WSN)產品。其網路拓撲可支援Star(星狀)、Cluster Tree(簇樹狀)、Mesh(網狀)型態，被業界視為智慧建築(Smart Building)、物聯網(IoT)最廣泛的協定之一。
ZigBee v1.2(又稱ZigBee PRO、ZigBee 2007)，則涵蓋了: 家庭自動化、智慧能源、通信服務、醫療保健、燈光控制(Light Link)、建築自動化、閘道器、以及Green Power(綠能)等協定；而ZigBee RF4CE協定則是針對消費性電子產品，以取代遙控器、輸入裝置為主。
另一個跟ZigBee很類似的Z-Wave，是丹麥ZenSys公司所開發專門針對家庭自動化遙控的低功耗無線傳輸協定，規格為ITU-T G.9959。最初使用的頻段為868MHz(歐洲)、傳輸速率也只有9.6Kbps？40Kbps，因為其設計的目的僅在於遙控家中電器、燈光控制，不需要太多數據流，但靠著低頻(低於900MHz)無線電波的優勢，即使在樑柱與隔間多的大房子內也有很強的穿透性；後來也流行到北美(908MHz)、日本(922？926MHz)、香港、澳洲、紐西蘭與巴西(921MHz)。為了因應ZigBee升頻段與升速，Z-Wave也將傳輸速率提高到100Kbps。
而針對無線感測網路(WSN)之節點(Node)間傳輸協定，除了ZigBee之外，另也有採用ISA100、WirelessHART、WIA-PA、6LowPAN等嵌入式產品專用的通訊協定。以IETF (Internet Engineering Task Force)制定的6LoWPAN開放標準，支援IPv6，讓無線路由器可休眠，甚至免閘道器設置也能使裝置相互連接，適合WSN低規、低耗的客製化環境，故也廣被ZigBee IP、ETSI M2M、ISA 100.11a、BLE等無線網路技術所採納。
超高速近距離無線傳輸技術
像Sony在2008年發表的TransferJet，以近距離感應通訊(NFC)結合超寬頻(UWB)的電感磁場技術，在相距幾公分內，兩個裝置資料傳輸速率高達375Mbps；若採用4.48GHz頻帶，速率更高達560Mbps，能應用在手機、遊戲機、數位相機、攝錄影機、電腦、電視與印表機之間的近距離傳輸。
而Li-Fi 燈光上網技術－也是一種以燈光為電磁波，讓LED燈泡快速地閃爍(肉眼難以察覺)，搭配專屬的Li-Fi接收器即可做為資料傳遞。上海復旦大學搶先2013年10月發表－在單一LED燈源下提供4台裝置同時上網、互傳資料，平均速度達150Mbps。台灣台北科技大學呂海涵教授，於2014年4月創下紅光雷射光傳輸速率10Gbps與17.5米距離的成功案例。但光通訊有無法折射、怕阻擋物、接收角度受限等缺點，再加上成本高、耗電大，因此尚無法完全取代Wi-Fi。
WiFi長距離無線網路技術演進趨勢
1997年IEEE(國際電機電子工程學會)制定出使用2.4GHz頻段的802.11，最大傳輸速率為2Mbps；1999年推出5GHz頻段的802.11a(54Mbps)與2.4GHz頻段的802.11b(11Mbps)；2004年同為2.4GHz頻段的802.11g，連線速率提升到54Mbps且維持跟802.11b相容。2009年採用2.4/5GHz頻段的802.11規格推出，導入最新4x4 MIMO (多重天線收發)技術與頻寬倍增優勢，單資料串流連線速率為150Mbps，4資料串流(4x4 MIMO)的連線速率高達600Mbps。
2014年1月定案的802.11ac規格，以5GHz頻段、頻寬倍增技術，傳輸速率從433Mbps(單資料串流)起跳，最高可到7Gbps (8資料串流？160MHz)，即時傳輸高清影音(Full HD)甚至4K (3840x2160)影音串流。但目前僅筆電具備802.11ac 3資料串流能力，多數手機、平板電腦因為低功耗因素，僅使用到1~2資料串流，且速度降為325？650Mbps。
至於60GHz超高頻無線技術，則有WiHD (IEEE 802.15.3c規格)與WiGig(802.11ad)兩大聯盟的競逐。WiHD傳輸速率達10？28Gbps，晶鐌(SiliconImage)是唯一晶片供應商。WiGig晶片供應商是以色列塞沙里亞(Caesarea)新創公司Wilocity，傳輸速率7Gbps雖然較慢，但WiGig已成功與Wi-Fi聯盟的2.4GHz 802.11b/g/n、5GHz頻段的802.11ac整合，達到三頻(2.4/5/60GHz)多模共用的境界。
Wilocity已於2014年發布28奈米的802.11ad WiGig晶片，而高通(Qualcomm)在2014年7月宣佈以3億美元併購Wilocity，將60GHz WiGig新技術整合到其Snapdragon 810處理器？智慧手機平台，來實現4K影像的無線傳輸，以及無線擴充底座等超高速應用。
谷歌(Google)在去年(2014年) 2月併購Nest Labs公司，取得其提出專門鎖定智慧家庭市場的Thread連網平台技術。Thread採用802.15.4規範並以IPv6為其網路層的主要架構(即6lowWPAN)，不受任何硬體(x86/ARM)、軟體平台(不限iOS或Android)或各種無線實體層技術的限制，部份ZigBee、Z-Wave或Bluetooth Smart晶片，可藉由韌體升級，來支援Thread進行無線網路相互連接。Thread Group聯盟預計2015年7月就會有第一套應用Thread技術的產品問世。
4G LTE行動通訊建置IoT網路最後一哩
LTE第四代行動通訊協定，全球已有28個LTE-FDD以及12個TDD-LTE頻段。台灣則使用700MHz、900MHz、1,800MHz，由中華電信、遠傳、台哥大與台灣之星等取得4G頻譜執照並於2014年6月陸續開台營運，未來2,600MHz頻譜預定在WiMax執照期滿後收回轉向LTE-FDD或TD-LTE之用。
從連線速率觀點，LTE提供；第1類DL 10Mbps、UL 5Mbps，第2類DL 50Mbps、UL 25Mbps，第3類100Mbps、50Mbps；從第4類開始需使用多重天線收發(MIMO)技術，第4類(2x2 MIMO) DL 150Mbps、UL 50Mbps，第5類(4x4 MIMO) 300Mbps、UL 75Mbps，最高速的第7類(LTE-A)則到UL 300MBps、DL 150Mbps。目前台灣僅開放到LTE第3~4類。
預估隨著IoT裝置無線連網？行動通訊科技及應用環境的成熟，智慧家庭可望加速成長，2013年全球智慧家庭營業額330億美元，預估2018年可躍升到780億美元。至2019年底，全東北亞區智慧型手機用戶數將達到16億以上。IDC與Gartner都預估。2020年全球IoT智慧連網裝置總數將達250億。其中消費端所使用的物聯網裝置數達130億。
