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【物联网时代】无线通讯,一百公尺的连线战争

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【物联网时代】无线通讯,一百公尺的连线战争

许多人都听过网路连线的「最后一哩」,也就是延伸到全台用户的铜缆线路,在光纤时代则是光纤线路,有了「最后一哩」才有全台湾的电信线路。在即将来临的物联网时代,「最后一哩」则有了全新的定义:也就代表着在最终端,每个人身边一百公尺的无线连接技术,而这不但是兵家必争之地,同时也与物联网的发展息息相关。

物联网带有「物物相联」的涵义,总体而言,就是要所有的设备都能透过各种方式连上网路、或是能够透过某些装置相互连线而发挥作用,例如将冷气透过家中的光纤与手机连线,让你可以在外面就监控家中温度并决定是否先将冷气打开等,就是物联网的简单应用範例。

什幺是「一百公尺」的距离?

那到底一百公尺的连线距离是什幺?为什幺对物联网这幺重要,我们可以用下面的图片简略说明:目前网路连线大略可分为四种模式:包括个人网路(Personal Area Network,PAN)、区域网路(Local Area Network,LAN )、邻近网路(Neighborhood Area Network,NAN )以及广域网路(Wide Area Network,WAN )这四种,其中 PAN 与 LAN 就是本篇所要探讨的,同时也是物联网中所谓「一百公尺」的无线通讯範围。

【物联网时代】无线通讯,一百公尺的连线战争

所谓「物联网的连线」不是指你家的沙发、电视都能直接接上 3G 或 LTE 等广域基地台,这样不但浪费功率、提高设备成本,同时也没有必要,因此这「一百公尺」的距离就是靠一些无线短距通讯标準连结,让装置可以间接连上网际网路,比所有装置都具备网际网路连线能力还实际,同时也不会浪费更多的资源。

以物联网发展的情况来说,无线通讯技术必须要满足下面几点需求:

在这「一百公尺的距离中」,目前主要倾向是以星状或网状拓朴两种模式彼此连结:

【物联网时代】无线通讯,一百公尺的连线战争
左边是星状拓朴,右边是网状拓朴示意图。

星状拓朴是将所有装置连接到一个中心节点装置(例如手机或平板 ),而该中心节点也可以连线到网际网路上;网状拓朴则是每个物品都是一个节点,节点之间可以彼此连接到其他节点。

星状拓朴比较符合一般人对物联网的观念,例如所有装置都连结到手机或平板上,使用手机或平板就可以遥控这些装置,例如用手机遥控电视、冷气,甚至是调整沙发倾斜的角度等,都是星状拓朴的应用概念。但使用星状拓朴的缺点,在于中央装置如果发生问题,很可能造成所有装置也无法使用。

在网状拓朴中,每个节点都可以跟其他多个节点连接,并彼此协助连线,即使一个装置正在忙碌或没有发生作用,另外一个装置也可以补上(有点类似 FireChat 的设计原理),但相较之下网状拓朴设计比较複杂,装置的应用撰写较困难、同时也会提高成本。

目前来说,目前物联网的无线通讯最大挑战,是让不同的厂商设备都能够彼此连线,为了面对这个问题,许多正在进行连线标準的组织或联盟也正在发展新设计,以保证设备彼此之间的相容性能够提高,而这也才能真正加速物联网的发展。

 IP 化的差异

当然,物联网就是希望所有的设备都能连线到网际网路上,而这也必须让所有物联网的设备都能过透过 IP 连线到网路进行数据交换。就算是使用非 IP 协议连线的区域网路设备,也可以透过闸道连接到网路上,或是让使用 IP 与不使用 IP 协议的设备相互通联。在这种情况下,闸道必须要能够将区域网路的数据以 TCP/IP 协议重组或撰写,好让区域网路的设备也能够连上网路。

如果设备本身就是使用 IP 连线,就代表闸道不需要修改任何韧体即可让装置相互连结──例如我们的笔记型电脑在安装新的网路应用程式时,完全不需要更新我们的家庭网路,是因为电脑本身就使用 TCP/IP 协议,而路由器只需要担负连线的功能而无须做任何修改。

【物联网时代】无线通讯,一百公尺的连线战争  透过闸道 ( Gateway ) 的各种连线方式。

另一方面则是以家中的警报系统为例,通常警报系统会有一个安全相关的感应器,可以侦测你的家中是否安全,如果发现有盗贼破门而入进入家中时,感应器会将侦测的结果传到警报器上,而警报器就必须透过 TCP/IP 才有办法把相关资讯传送到你的手机上,但感应器与警报器之间不见得是使用 TCP/IP 协议传输──事实上,感应器与警报器之间也没有必要透过网路传输。

其实让物联网设备都连上网路这件事情已经不是很困难的事,TCP/IP 这种相对成熟的协议,可以减少设备间需要透过有转换功能的闸道才能彼此连线的问题。但相较于不透过 TCP/IP 的协议的设备来说,想要让设备透过 TCP/IP 协议连线,需要相对较好的处理器以应付较为複杂的设定,这也意味着成本更高,也必须要耗费更多的功率发送与接收资料。

也因为如此,不透过 TCP/IP 连线协议的无线通讯也不断发展与更新,许多厂商也宁愿使用比较简单的特殊无线通讯协议以降低成本。

【物联网时代】无线通讯,一百公尺的连线战争   目前在「一百公尺」内的连线还没有完备。连线标準 IEEE 802.11

成立于 1963 年的「电机电子工程师学会 The Institute of Electrical and Electronics Engineers(简称 IEEE)」,于 1997 年为无线区域网路制订了第一个标準 IEEE 802.11,此后这个标準也成为最通用的无线网路标準,802.11 催生出了 Wi-Fi ,同时也因为版本的更新而让 Wi-Fi 能有更进步的速度,而 802.15.4 则定义出了一些「无线个人网路 WPAN」的连线标準,其中也包括了 ZigBee、6LoWPAN 与 WirelessHART,在加上以 802.15.4 标準所推出的蓝牙,就成为这一百公尺战争中的主要竞争者。

Wi-Fi

以 IEEE 802.11X 标準发展出的最主要技术,主要是由 Wi-Fi 联盟所推动,最早 Wi-Fi 就是要与网路连结而发展出来的技术,因此 Wi-Fi 同时也包含着 TCP/IP 协议,因此也需要使用 TCP/IP 协议才能够连接。

拜笔记型电脑、智慧型手机、平板电脑三者的巨大成功,Wi-Fi 也因此得以发展成熟,即使是 LTE 开始发展的现在,Wi-Fi 也仍然保持着一定的优势,同时也是一个发展上相对成熟的技术。Wi-Fi 主要是以星状拓朴结构为主,高功率的 Wi-Fi 通常足以涵盖一般家庭的公寓大小,而在企业或办公室的区域中,通常会布置多台 Wi-Fi 以增加覆盖率。

  【物联网时代】无线通讯,一百公尺的连线战争  Wi-Fi 基地台可说是目前让物联网设备连线到网路上最方便的选择。

包括 ISM 2.4GHz 频段与 5GHz 频段, Wi-Fi 的传输速率远高于其他无线传输技术,但由于需要包含 TCP/IP 协议的标準,因此能够使用 Wi-Fi 的设备通常得包含 MCU(微控制器;Microcontroller Unit)与大量的记忆体,包括笔记型电脑、智慧型手机自然是轻鬆达到 Wi-Fi 的需求,但如果是像自动恆温器或家电等不需大量运算的物联网设备来说,使用 Wi-Fi 连线的成本效益就相对过高。

但硅半导体技术则成为 Wi-Fi 的重要突破口,新技术减少了 MPU 的开支,同时也让 MCU 就足以内含无线连结网路的能力,同时也解决了 Wi-Fi 的耗电问题,毕竟为了实现高速传输以及室内覆盖率,Wi-Fi 的耗电量相比其他技术来看是较大的──而且在传输上的峰值电流几乎没办法减少,但硅晶体技术让 Wi-Fi 可以利用休眠、快速开关等方法降低平均的功耗。

一些降低不必要电耗的方式成为 Wi-Fi 省电的基础,由于大多数物联网产品都不需要 Wi-Fi 如此高速的数据传输,因此电源管理设计可以让 Wi-Fi 的电量消耗有显着的降低,同时也能轻易地应用在例如智慧型手錶、手环等体积较小的设备上,并且利用 Wi-Fi 轻易连到网路上传输数据。

Wi-Fi 能连接的也是一大优势,许多 Wi-Fi 的基地台宣称可以同时连接 250 个设备,企业级的基地台可以拥有更大的连接数据,就连消费型的 Wi-Fi 基地台都可以有接近 50 个装置连接的水準,因此在整个物联网时代中,Wi-Fi 很难成为完全标準,比较有可能成为整个家庭的连线节点或中继站。

蓝牙

蓝牙主要是作为「个人区域网路」为主,于 1994 年由易利信发展,并在之后获得其他业界公司支援,最终发展成「蓝牙技术联盟」。蓝牙技术联盟与 IEEE 达成协议,在 2001 年正式列入 IEEE 802.15.1 标準,此后该标準就由蓝牙技术联盟所发展,也因为列入了 IEEE 标準,让蓝牙迅速获得了各家厂牌的支持。此后蓝牙几乎成为所有手机必备的标準。

最早蓝牙主要是用于短距离的通讯,功耗远比 Wi-Fi 还低,同时也有一定的数据传输量,现今蓝牙主要是以点对点传输为主,并针对一对一连线最佳化,但其实蓝牙也可以支援星状拓朴结构,支援一对多的连线。

在 2010 年推出的蓝牙 4.0 规範改变了蓝牙传统的思维,一开始推出的 4.0 标準主要是以「低功耗」作为号召,但其实 4.0 是第一个综合协定规範,纳入了 Nokia 开发的 Wibree 低功耗无线通讯技术,而 Dual Mode 也能够让蓝牙 4.0 向下相容。

【物联网时代】无线通讯,一百公尺的连线战争 蓝牙已经有一 定的市占率,也是目前最有优势的无线通讯标準。

低功耗蓝牙也让蓝牙能够再应用于更多智慧型装置,低功耗的特性大大地打开了蓝牙的市场,除了智慧型手机与平板电脑以外,蓝牙也涵盖了健康,游戏、汽车的新应用,甚至可以提供地理位置与地标的基础功能。

而在物联网即将爆发的时代,蓝牙也在今年不断提出全新的愿景,除了将支援 IPv6 并透过 IP 管理实现网状拓朴架构外,也将大幅改进资讯安全性问题,甚至打算与 NFC 合作推出相容标準,并且改善传输距离过短的问题(事实上这个问题已经在蓝牙 4.0 中改善)。以蓝牙目前的市场覆盖率来说,它很有机会成为物联网时代的无线通讯霸主。

苹果的 iBeacon 也是基于支援低功耗蓝牙之下的通讯技术,但苹果利用 BLE 技术传送资讯,因此可以传递 ID 相关资讯,让採用同样技术的信号得以辨识不同的设备与装置。

ZigBee

以蜜蜂为名的 ZigBee,名字可说是完全符合了这个通讯技术的特性--网状结构就如同蜜蜂般相互传递,设备间也能够依靠 ZigBee 技术连结,每个设备都能够同时支援大量网路节点、同时也能支援多种网路拓朴,而且技术的複杂度低、快速、而且较为安全。目前加入 ZigBee 联盟的公司有三星、西门子、德州仪器、摩托罗拉、三菱、飞利浦等公司。

ZigBee 历史其实也不算短,是在 2001 年被纳入 IEEE 802.15.4 标準中,是种低传输、低功耗、低成本的技术,主要是採用 2.4GHz 的 ISM 频段,不过 ZigBee 同时也支援 868 MHz 与 915 MHz 频段。ZigBee 的传输量约为 250kbps,但通常都不会用到这幺多数据传输量,而 ZigBee 的长时间休眠功能与省电能力也令人讚叹,只要一颗钮扣电池就可以使用年余,因此也有 ZigBee 设备是採用无电池模式,只需要一些能量採集科技就能供应足够的电力。

ZigBee 本身并没有自行连接到网路上的机制,因此只能利用节点(例如 Wi-Fi)连接到网路上,而不能自行连网。

低功耗、网状结构、安全是 ZigBee 的三大魅力,但相较于已经被掌握的蓝牙来说,ZigBee 在应用上的难度较高,而初创事业一般来说也大都会宁愿投入已经有一定市占的蓝牙,而不见得愿意选择 ZigBee 当作连线标準。也因此 ZigBee 联盟已经转了方向,主要是以发展 802.15.4 协议为主,而该联盟所发展的 SEP 2.0 智慧电网标準已经广获採纳,很可能会成为智能电网的主流标準。

 【物联网时代】无线通讯,一百公尺的连线战争 ZigBee 的网状结构与安全性都是此标準的魅力。6LOWPAN

与 ZigBee 同样採用 802.15.4 的无线通讯标準,6LOWPAN 是属于比较新颖的技术,但与 ZigBee 最大的不同点,则是 6LOWPAN 打破了无线通讯低功耗的专用协议,一开始就以低功耗且可连线到 IPv6 做为坐大的号召,而且由于加密方式与 ZigBee 採用同样的 AES-128,相对之下也较为安全。

跟 Wi-Fi 一样,6LOWPAN 主要是使用 2.4 GHz 的频段(同时也支援 868 与 915 MHz 频段),但发射功率只有 Wi-Fi 的 1%,这也使得 6LOWPAN 的传输距离因此而受到了限制,必须利用类似 ZigBee 的网状拓朴结构,利用多台设备一起连线,才能减少障碍物、并让讯号可以传递的更远。

随着 IPv4 已经不敷使用,IPv6 将会成为往后物联网的重要标準──因为物联网的发达,必然伴随而来庞大的 IP 位置,能够在 802.15.4 的低功耗标準下,透过 Wi-Fi 基地台连线至网际网路,是 6LOWPAN 标準最大的魅力。

Zigbee 联盟也在新的 SEP 2.0 应用协议中加入了 6LOWPAN 的支援。

802.15.4 有巨大潜力,但蓝牙是其最大障碍

其实相比于传统的蓝牙、Wi-Fi 来说,802.15.4 协议超低功率的连线方式,似乎更适合使用于物联网的使用模式,但蓝牙也不会轻易让出目前的霸主地位,尤其是蓝牙在 4.0 开始加入低功耗、广域连线(理论值 100 公尺)等重要架构后,朝物联网迈进的目标更为明显。尤其是 802.15.4 的连线协议缺乏智慧型手机、平板电脑等行动装置的支援,会是 802.15.4 协议难以切入的点。

【物联网时代】无线通讯,一百公尺的连线战争 功耗、传输距离与传输速率的比较。

根据调研机构 Gartner 提出的数据显示,未来物联网的「一百公尺」连线战争中,主要将会是以蓝牙佔 76%,Wi-Fi 则佔 23% ,等于相当看好蓝牙连线的未来发展。不过 ZigBee 联盟所发展的 SEP 2.0 则已经切入了美国的智慧电网标準,未来 802.15.4 很可能会更往「智慧城市」部分的发展,协助公共设施的物联网发展,而蓝牙则可能切入「智慧家庭」中,成为家庭设备进入物联网的连线标準。

但在技术不断进步的情况下,要让家用无线基地台能够同时容纳低功耗蓝牙与 802.15.4 标準也不是难事,但如果无线通讯标準是依靠如 Wi-Fi 般的广域通讯网路做连结,因为以 802.11x 标準技术的广域区域网路装置已被证实不太安全、更容易受到攻击,通讯技术在不断发展演化下,都有可能更进步,因此安全性反而会是物联网未来最终、也最重要的考量。

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