无线通讯技术或将成为物联网发展关键

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  时至今日,在设计物联网(Internet of Things, IoT)装置与系统时,可选用许多种不同的无线通讯协定来实现与云端间的通讯。
 
  虽然蜂巢与无线区域网路正在不断演进,以满足物联网应用需求,但仍有许多新兴技术锁定该类应用,使得技术选择不断增加。
 
  在众多选择中,可以根据其有效覆盖范围、传输距离与资料速率等各项能力,判定适用于特定应用程式与情况的最佳选择。
 
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  物联网市场需求大各类技术纷纷涌入
 
  对应用开发者而言,评估无线通讯技术是否适用的一项最重要考量就是传输距离。许多装置会使用含有宽频连线的闸道将资料传输至云端,或从云端撷取资料。
 
  若应用架构中有闸道器存在,便能够使用传输功率较低的短距通讯协定。在多数情况下,部署闸道器可能太困难或因为成本太高而难以实现。
 
  例如,若将一组感测器部署于开放水域的大型水库或列车轨道沿线,便会因为感测器节点过于分散而难以利用闸道进行传输。
 
  现今,此类高度分散的感测器与量表若非使用千兆赫以下(sub-GHz)的免执照频段中的蜂巢连线,就是使用专属通讯协定进行连线,例如868MHz。
 
  此领域正经历着重大的变革,原因是因为市场需要能成功导引物联网的标准以及电讯业者的策略性变更。
 
  当电讯业者寻求最大化自己已获授权的频谱配置时,市场也希望他们能将现有的千兆赫以下全球行动通讯系统(GSM)网路切换为支援长程演进计画(LTE)网路,因为这些新一代通讯协定的频谱效率较高。
 
  为支援机器对机器(Machine to Machine, M2M)与物联网通讯的成长需求,各家厂商纷纷提出数项以LTE为基础的蜂巢协定。
 
  短期来说,Cat-M提供一种较简洁的LTE形式,适用于物联网装置,提供多达1Mbit/s的资料速率,并可存取已普及化的蜂巢网路。
 
  然而,在未来的2或3年内,第三代合作伙伴计画(3GPP)定义的窄频物联网(NB-IoT)将可能为物联网应用提供更妥适的网路支援,有助于降低装置与营运成本NB-IoT使用约200kbit/s的较低资料率,并在难以存取的位置,例如埋在地底下的仪表,有更好的网路存取性。
 
 
  窄频物联网兴起LoRa/SIGFOX被看好
 
  LoRa和SIGFOX主要在免执照的频谱中运作,提供蜂巢以外的收发器设计和定价模式选择。
现今的电讯业者皆根据资料使用量进行收费,而支援免执照频段的商务营运商则可采用固定费率的模式,低至每年每台装置1元的水平。
 
  LoRa是由Semtech所开发的技术,透过自己的网路基地台以及挑选新创的商务营运商,为物联网使用者提供丰富的网际网路存取选择,借以提供良好的控制性,而且有可能降低成本。
其中,LoRa网路在阿姆斯特丹仅花约6周就利用群众外包(Crowdsourcing)建设了The Things Network,世界各地城市也可以重复这种模式。
 
  微芯(Microchip)与意法半导体(STMicroelectronics)以及Semtech的装置均支援LoRa技术,发射频率距离可达约10公里,因此在用于埋在地底下的装置例如停车收费表和水表时,相较于传统无线电系统具有优势。
 
  对于来自其他免执照频段使用者干扰的抗性,则可透过展频调变方式改善,资料速率范围从300bit/s至50kbit/s,与现有的整体封包无线电服务(GPRS)连线类似。
 
  另一方面,SIGFOX采用超窄频发射技术来限制功率,在郊区环境可达到50公里的发射距离,且资料速率范围为10bit/s至1kbit/s之间。
 
  不同于其他多数的通讯协定,SIGFOX是单向的链路。此链路可用最小化物联网节点的耗电量,因为无须唤醒射频(RF)收发器以及长时间接听传入的通讯,但是,此链路的限制是无法使用传统SIGFOX收发器远端来更新节点中的软体,因此须要使用另外一个无线电发射器进行更新。
 
  然而,专为免执照的工业、科学与医疗(ISM)频段所设计的一些射频收发器,能处理相对简单的SIGFOX发射需求。
 
已宣布使用SIGFOX为物联网提供连线能力的解决方案供应商包括安森美(On Semiconductor)与其AX-SIGFOX单芯片解决方案,以及销售自家生产SmartEverything开发板的艾睿电子(Arrow Electronics)适用于物联网与M2M应用的Arduino大小尺寸的原型开发平台。
 
 
  受惠免持照频段IEEE 802.15.4看俏
 
  对于由闸道支援的短距通讯,2.4GHz的免执照频段已成为了无线网路连线的首选。蓝牙(Bluetooth)与Wi-Fi皆使用2.4Ghz频段,这个频段也提供频谱以供专为物联网设计的通讯协定使用,例如6LoWPAN与Thread。
 
6LowPAN、Thread与ZigBee和WirelessHART皆以美国电子电机工程师协会(IEEE) 802.15.4标准为主要基础。
 
  IEEE 802.15.4的核心标准支援长达10公尺的发射距离,传输速率为250kbit/s,且可以运作于千兆赫以下的免执照频段和2.4Ghz频段。
 
  6LowPAN将一组上层通讯协定加入与网际网路通讯协定(Internet Protocol, IP)相容的IEEE 802.15.4核心标准,同时允许来自云端以IP为基础的标准通讯,以使用如TCP、HTTP、COAP与MQTT这类标准来与物联网边缘装置连线。
 
  为了将花在物联网资料传输上的通讯协定的系统开支降到最低,6LowPAN采用标头压缩与其他资料封装技术。
 
  为增加节点与闸道的最大距离,6LowPAN支援网状网路(MeshNetwork)连线功能。透过网状网路拓扑,离闸道太远以至无法连线的节点得以透过距离较近的实体装置来中继封包,直到其中的一个节点能直接与闸道连线为止。
 
  因为网状网路连线功能会动态分析网路的可路由机制,因此网状网路会自动设定新的装置,这样一来,网状网路就可以运用系统已得知的使用模式。
 
  建置于6LowPAN之上的Thread通讯协定于2014年推出,提供进一步的物联网功能,例如验证与加密,借以提升整体安全性。
 
然而,在多数情况下,简易的软体升级可让Thread在支援IEEE802.15.4的装置上执行,例如创立Thread Group的芯科实验室(SiliconLabs)所制造的装置。
 
  虽然IEEE802.15.4已成为各种物联网导向网路通讯协定的核心基础架构,但是蓝牙也是一个要考量的主要标准。由于智慧型手机、平板电脑与笔记型电脑普遍使用蓝牙,因此可提供透过应用程式控制与设定物联网装置的重要机制。
 
  此外,多亏了对蓝牙标准的强化,蓝牙也成为了物联网应用的主要通讯协定,且无须依赖智慧型手机连线能力。
 
导入低功耗蓝牙技术的支援模式可大幅降低传输小量资料的耗电量,使短距网路通讯协定更适用于物联网方面的应用。
 
  今年预计将会新增进一步功能变更,能将一般的发射距离延长四倍,以减低位元速率来换取更长的距离。
 
  这个具有调适性的通讯协定可让距离较近的节点群运用更高的位元速率,最多可达低功耗蓝牙1Mbit/s标准频宽的两倍。
 
  网状网路连线功能预计可改善蓝牙装置远距离的通讯能力。针对蓝牙所规划的网状网路连线功能,会根据2013年发布的4.1版Scatternet概念进行延伸。
 
  Scatternet让每个节点能够在主要和从属模式间切换,使封包能传送至其他从属或主要节点,以达到与目的收发器连线的目的。
 
此外,近期的蓝牙通讯协定变更,能够和6LowPAN无线通讯协定装置进行互动,从而延伸了网状网路的覆盖范围。
 
 
  标榜高资料速率Wi-Fi也来分一杯羹
 
  最后来谈谈Wi-Fi这个可进一步应用于物联网的选择。相较于大多数物联网通讯协定,现有的Wi-Fi版本能支援较高的资料速率,适用于建筑物安全监控的影像传输等应用。
 
  负责Wi-Fi通讯协定的IEEE工作小组现正着手研发IEEE802.11ah版本,此版本将大幅降低耗电量,且能以降低资料速率来延长传输范围,在每个频道100kbit/s的速率下,有效距离超过1公里。
 
  无线物联网领域中的各项发展,造就了丰富且适用于不同目标市场的通讯协定选项。其中必定有一个选项能完美符合应用项目的需求。
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