Wi-Fi無線雙頻網路與工業網路技術發展

各種短中長無線網路之頻段與連線規格。資料來源：Wi-Fi、Bluetoorh協會；DigiTimes 整理，2015/5

從低於1GHz低功率無線網路，2.4GHz BT、ZigBee等低功耗網路，再來中長距離的Wi-Fi無線區域網路，從數位家居？IoT物聯網的連線感測遙控、個人耳機音樂、語音遠端監控，到筆電、手機、平板等連網服務，為工業控制機台提供雲端上傳與大數據分析，進而為這些行動裝置提供高清？4K的影音傳輸的跨界應用。

無線網路技術演進趨勢

做為IoT物聯網物物相連的主要骨幹——無線網路通訊技術，如果依照連線距離、連線速率、所使用頻段與功耗上來看，我們可以從僅20cm以內、0.4Mbps的近場感應通訊(Near Field Communication；NFC)，推進到1~10公尺以內的Bluetooth，再推到連線距離10~30公尺的Z-Wave、ZigBee、ANT，以上屬於802.15個人無線網路(PAN)的應用範疇。接下來連線距離從30~300米所謂房間或房屋內的應用，如連線速率從11~600Mbps、100~300m的802.11a/b/g/n Wi-Fi無線區域網路。

如果導入5GHz頻段像是802.11ac，甚至是60GHz頻段的WiGig 802.11ad無線網路技術，搭配多天線收發技術，往往可以提供至少1.3Gbps，甚至高達7Gbps的網路傳輸速率，這也為許多具備高清？2K？4K解析度的旗艦手機、變形平板、2合一筆電、與大尺寸數位電視之間，得以相互用無線網路的技術直接傳送高品質影音視訊畫面，以及進行週邊的無線虛擬連接，創造出另一個跨裝置的雲端應用。

低功耗、短距離無線網路

先從連線距離最短、速度最慢的個人無線網路——像NFC、Z-Wave、ANT、ZigBee、BlueTooth等——談起。

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是加拿大Dynastream Innovations公司所主導，使用鈕扣電池可維持1年以上續航力，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、家庭建築及工廠等自動化，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規範(又稱ZigBee PRO或ZigBee 2007)，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。

Z-Wave則是針對家庭自動化遙控的低功耗無線傳輸協定，由丹麥ZenSys公司所開發，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。最初使用868MHz的頻段(歐洲)、傳輸速率僅9.6Kbps~40Kbps，憑藉著低頻(低於900MHz)無線電波的優勢，在樑柱與隔間多的大房屋內也有很強的穿透性。

Z-Wave也流行到北美(908MHz)、日本(922~926MHz)、香港、澳洲、紐西蘭與巴西(921MHz)。隨後為了與ZigBee競爭，後續Z-Wave將傳輸速率提高到100Kbps。

針對無線感測網路(WSN)之節點間傳輸協定，除了ZigBee之外，另有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，也廣被ZigBee IP、ETSI M2M、ISA 100.11a、BLE等無線網路技術所採納。

有鑑於這些被家庭建築自動化採用的次GHz(Sub GHz)的無線網路技術(6LoWPAN、WirelessHART、ANT、RF4CE)各種彼此之間不相容，需使用專屬的閘道器？閘道晶片，Wi-Fi聯盟也正在制定自己的次GHz低功率技術，稱為802.11ah。

某Wi-Fi聯盟廠家，從2012年就進行802.11ah晶片的設計，以915MHz頻段、最大功耗12毫瓦(mW)與5毫瓦接收功耗傳送無線訊號，即便到1公里外，仍可以100kbit/s的速率傳送資料。採用現有的基礎架構進行通訊，同時解決不同次GHz無線網路技術的互通性問題。IEEE於2013年7月提出規格草案，預計2015年底最遲2016年正式定案。

中長距離無線區域網路(Wi-Fi)發展與標準演進

1997年IEEE(國際電機電子工程學會)，制定出802.11無線區域網路技術，使用2.4GHz ISM頻段、FHSS(跳頻展頻)與DSSS(直接序列展頻)，BPSK、QSK與QPSK載波調變技術，最大傳輸速率為2Mbps。1999年採用5GHz頻段、OFDM(正交分頻多工)調變技術802.11a規格與802.11b規格相繼出現，速率提高至54、11Mbps，戶內外連線距離加大到35、120~140公尺；同年Wi-Fi聯盟也正式成立推廣IEEE 802.11x無線網路技術與產品的相關認證。

802.11g於2004年正式定案，採2.4GHz頻段與OFDM調變技術，連線速率提升到54Mbps，且維持跟既有802.11b相容，也因此802.11g迅速普及，並進一步深入PDA、PMP、數位相機到智慧手機、平板電腦等裝置，促使Wi-Fi無線網路應用行動化，同時帶動了家庭╱企業無線閘道器？路由器(Wi-Fi Router)產品的發展。

2009年採用2.4？5GHz ISM頻段、運用最新4x4 MIMO(多重天線收發)技術的802.11n規格推出，藉由頻寬倍增至40MHz，以及16QAM、64QAM調變編碼技術，單資料串流連線速率達150Mbps，若採用四資料串流(4x4 MIMO)設計，連線速率更高達600Mbps，至今仍是市占率最大的Wi-Fi應用規格。

於2014年1月定案的802.11ac規格，以5GHz(從4.9~6.0GHz)射頻頻段，OFDM正交分頻多工、QAM256載波調變及波束成型(Beamforming)技術，傳輸速率達到1.3Gbps(3x3資料串流)~7Gbps(8x8資料串流？160MHz)，足可即時傳輸高清影音(Full HD)甚至4K(3840x2160)影音串流規格。因802.11ac的5GHz訊號散射與穿透能力較802.11n還差(連線距離30m vs 70m)，當802.11ac網卡╱裝置無法搜尋到5GHz頻段上以802.11ac最高速連接時，會切回5GHz/802.11n模式，甚至降頻段到2.4GHz，以802.11n的連線模式進行無線傳輸。

網通晶片？網卡設備廠商，推出雙頻802.11ac無線分享器，是以提供至少2x2 802.11n(300Mbps)+2x2 802.11ac(867Mbps)，或者3x3 MIMO 802.11n(450Mbps)＋3x3 MIMO 802.11ac(1300Mbps)，總服務頻寬達1167~1750Mbps為規格訴求；也就是能接受802.11ac與802.11n的無線裝置連接，並各自以867Mbps~1.3Gbps、300~450Mbps的規格最高速率去服務。

這並不代表單一802.11ac或802.11n裝置能夠獨享、用到那麼高的連線速率(頻寬)，因為受限於功耗因素，坊間的Wi-Fi行動裝置大多只有2T2R2Stream的設計。

博通(Broadcom)路由器？網卡晶片，還支援一種在2.4GHz頻段的802.11n也能使用QAM256載波的專利調變技術，使得802.11n傳輸速率提升33%。而像NetGear Nighthawk X6 R8000、友訊(D-Link) DIR-890L AC3200以及華碩(ASUS) RT-AC3200六天線三頻無線路由器，則是設計了兩套可獨立運作的3x3 MIMO 802.11ac收發模組，其中一個是雙頻802.11n/ac混用模組，另一個則專供3x3 802.11ac專屬通道(所謂多出一頻意義在此)，總操作頻寬為2x 1300 + 600一共3200Mbps。

英特爾已推出Dual Band Wireless-AC 7260、Wireless-AC 8x70等網路卡。搭著主機板與筆電出貨。支援802.11ac規格的手機╱平板，有Google Nexus 5、宏達電(HTC) New One(M7/M8/M9)、SONY Xperia Z1/Z2/Z3/Z4、三星Galaxy S4/S5、紅米NOTE等智慧手機均支援。

至於工業用的無線路由器產品，多採用金屬材質的強固型防水防潮設計，以利於在潮濕、寬溫的環境下運作；規格上不僅要支援802.11a/b/g/n/ac等無線網路標準，更著重傳輸能力、穩定性與擴充性。因此會採用MIMO(2T2R/3T3R…)等多重天線、多角度的收發能力設計，並額外提供功率放大天線的選購。

同時大多工業網通產品都具備PoE(Power over Ethernet，乙太網供電)的設計，提供一到多組PoE供電埠，以符合IEEE 802.3at-2009的PoE規範(PoE+)，每埠至少30W輸出功率，經過100米CAT-5電纜線後，PD端裝置可收到至少25.5W的大電力，以支援需要更大電力的高速無線網通產品。