滿足機器對機器傳輸需求 各類無線通訊技術爭鳴

IBM推動長距離無線通訊技術LoRa，傳輸距離最遠可達20公里。Semtech Corporation

物聯網發展正熾，各種無線標準競相爭奪市場地盤，例如藍牙低功耗、Wi-Fi、近距離無線通訊(NFC)、ZigBee、Z-Wave和IPv6，以及長程演進計畫(LTE)等。

各種技術各有特性及優勢，目前尚未出現獨大獨尊的局面，因此如何朝向標準化平台發展，並且以更有效率的方式串連不同的通訊技術，進而發展出技術相容、易擴充且低成本的連線方案，將是相關業界的重大課題，如此才能因應物聯網的日漸擴大及普及。

有鑑於此，由Google收購的Nest Lab、三星、ARM、飛思卡爾(Freescale)、Silicon Labs、Big Ass Fans、Yale Security等科技業者已組成Thread標準聯盟(Thread Group)，目標是加速制定可兼容多種低功耗無線連接技術的網路協定。Thread聯盟的做法是建立一個支援IPv6、6LoWPAN的統一標準平台，以網狀網路支援多達250個裝置或甚至更多。

現有無線通訊協議待整合

Thread聯盟的訴求重點在於實現真正的聯網家庭，希望能解決現有無線通訊協議缺乏互操作性、高功耗且安全性不足的問題，讓家庭智慧聯網裝置可以在一個新的低功耗、專為物聯網所設計的網路架構下互相溝通。

綜觀目前常見用於智慧家庭網路的無線技術，包括Wi-Fi、Z-wave、藍牙低功耗、Zigbee，似乎都有不同的問題存在。其中，ZigBee的問題在於無法建立統一標準化的架構，導致裝置會有不相容的問題；低功耗藍牙則非真正的網狀網路；Z-wave由一家特定廠商獨有；至於最常見的Wi-Fi則由於原始目的是針對較大的資料量傳輸所設計，因此較為耗電。

Thread聯盟推動互通網路架構

透過Thread方案，智慧家庭內部的各種通訊技術能更緊密的融合。一方面可提供ZigBee傳輸方案，以減輕低資料量、常時連線的應用功耗負擔；另一方面又可利用Wi-Fi支援需高頻寬、高速傳輸的應用。甚至系統整合商能利用高頻寬及高穩定性的乙太網路(Ethernet)連結家庭與雲端，構成更具彈性和使用效益的家庭網路。

針對家庭聯網需求，Thread聯盟成員之一的Silicon Labs已率先發佈Beta版Thread軟體和協定堆疊，此Thread產品可橋接基於不同媒體存取控制層(MAC)、實體層(PHY)設計的有線或無線通訊方案，並給予每一個裝置IP位址，讓裝置對裝置(D2D)通訊不需透過閘道器，如此能簡化傳輸流程。

值得一提的是，Thread的網路協議是針對部分的網路架構；AllSeen、OIC等物聯網聯盟則是針對應用層推動共通標準，兩者訴求不同，也意謂未來將有合作空間。

Zigbee 3.0解決版本各異的問題

除了Thread聯盟的努力外，ZigBee聯盟也針對各式裝置使用不同ZigBee版本標準的問題提供解方，推出新無線連結標準「ZigBee 3.0」以進攻物聯網市場，此版本訴求各應用間的高互通性，並強調低功耗、安全的資料傳輸特性。ZigBee 3.0正在測試階段，包括克羅格(Kroger)、Legrand、恩智浦(NXP)、飛利浦(Philips)、Silicon Labs及德州儀器(TI)等聯盟成員，皆積極參與新標準的發展測試過程，目前暫定標準已可供ZigBee聯盟成員使用。

ZigBee 3.0採用運作在2.4GHz頻段的IEEE 802.15.4標準，利用ZigBee Pro網路規格讓低耗電、小型裝置相互溝通，藉由網狀、安全、低功耗的特性讓產品開發商省掉裝置連結的煩惱。目前ZigBee所支援的家庭自動化和連結照明應用都相容於新版連結標準。

基本上，聯網裝置的高度互通性需要仰賴網路各層——尤其是應用層——的標準化，如此才能提高用戶的使用意願。ZigBee 3.0能支援家庭自動化、照明能源管理、智慧應用、安全、感測器及健康監控等智慧裝置，也就是說該標準不再只針對單一應用進行連結，而是整合上述應用，讓不同裝置間可以相互傳送及接收資料。

Thread聯盟和Zigbee 3.0主要訴求智慧家庭物聯網的應用，而如果跨出家庭，當物聯網範圍擴及整個城市時，則勢必要採用長距離無線通訊技術，才能實現智慧城市的願景。截至目前為止，4G行動網路仍然是推動智慧城市發展的主流技術，然而若全面進入物聯網時代，則僅靠4G網路來處理至少數十億個機器與機器間的連結，高成本及高頻寬將形成重大挑戰。

LoRa串聯智慧城市的物聯網

針對上述問題，IBM近期發佈的新物聯網通訊技術LoRa，或許能帶來解答。不同於現有4G網路技術是針對大量資料且長距離傳輸，或是Wi-Fi、藍牙等是針對大量資料且短距離傳輸，LoRa無線傳輸技術則是用在小量資料且長距離傳輸的用途，可用來滿足大量機器與機器設備間的遠距無線傳輸應用需求。

再者，由於LoRa使用以展頻為基礎的調變方式，因此可解調低於20 dB的噪音準位訊號，這確保了高靈敏度、可靠的網路連接，同時可提高網路效率並消除干擾。而相較於網狀網路，LoRaWAN協定的星形拓撲結構可消除同步時的額外時耗和跳頻，因此能降低功耗並允許多個合併應用程式在網路上執行。

LoRa傳輸距離最遠可達20公里，傳輸速率可維持在每秒300bits至50kb之間，具備低功耗、低成本的特性，靠著內建電池可持續使用超過10年，這些特性能大幅降低物聯網資料傳輸的使用與維護成本，如此一來，許多基礎建設都能透過這樣的無線技術，以較低的成本達到遠距離的連結。

根據IBM在紐約市曼哈頓下城區所進行的實際佈建，採用LoRa技術，僅需設置7個閘道器就可打造出一個完全覆蓋30平方公里街道範圍的物聯無線感測網路，可將範圍內所有物聯設備相連。IBM也已針對LoRa技術推出遠距訊號管理與控制端至端解決方案LRSC(Long Range Signal & Control)，可以有效降低基礎設施的成本。此外，Microchip Technology也已推出採用LoRa技術、符合低資料速率無線網路標準的首款模組系列產品。

物聯網正在起飛階段，未來會發展成什麼模樣還是未定之數，因此目前各類無線網路通訊技術都還有各自的發揮空間，從各個物聯網聯盟成員的有所重疊，便可得知業界正積極嘗試採用各種技術方案來滿足物聯網的各類需求。不過，可以肯定的是，物聯網各種網通技術的串聯及共通架構標準的建立，將是物聯網快速普及的關鍵所在。