抢占物联网一席之地 无线连结技术各显神通

2015-03-26 13:36:43来源: 新电子
    物联网应用风潮扩大蔓延,让各种标准化无线连结技术更加受到市场重视。其中,Wi-Fi、蓝牙及ZigBee阵营为争抢市场主导地位,纷纷推出符合物联网应用需求的新版标准,使得彼此间互踩地盘的情况日益严重,竞争更趋白热化。

在快速成长的物联网中,个人电子用品、工业机具、感测器等应用均以无线途径连至网路。由于用途、环境、要求各异,无线标准不可能统一,因此市场上标准众多且横跨不同频段,要为物联网应用选择适合的无线连结技术并不容易。本文将介绍市场主流的无线连结技术,说明重要技术概念及工程取舍,以及为各种应用挑选适合无线技术时的准则。  
无线连结基础架构 为通讯技术开发准则 

以下将简介无线通讯技术的背景及广泛基础架构。  

.频段与全球规范 

无线电传输受世界各国单位规范,例如美国联邦通讯委员会、欧洲邮政与通讯管理局会议等,这些组织分配各频段用途,亦推动无线电传输器标准及认证计画,多数地区的多数可用频谱均采“执照制”;换言之,使用者必须向当地规范单位购买执照,才能在特定频道内经营无线电传输系统。常见的频段使用执照为蜂巢式通讯,世界各国政府均使用拍卖制,贩售频段给电信营运商,以规范商业频段分配。  

国际电信联盟的无线电通讯部门协调全球共用的无线电频谱,亦为工业、科学及医学(ISM)应用保留多个频段。ISM无执照频段,各国也各有不同,近年来热门ISM频段为433MHz、868MHz、915MHz、2.4GHz,分别用于多种无线通讯系统,如遥控、无线电话、无线区域网路(Wi-Fi)等,图1为世界各地热门ISM频段图,2.4GHz由于所有地区均允许无执照使用,因此变得相当热门,也因为2.4GHz频段无所不在,相关产品跨国开发与传播变得更加简单。  


图1 全球无执照频段
一般而言,频段愈高,频道和频宽也愈多,因此可服务更大网络、增加更多资料吞吐量;低频无线电波传输距离优于高频,故尤其在建筑物内的覆盖范围更广。  

.通讯协议 

通讯系统运用诸多规则与标准做为资料格式,并控制资料交换,在资料通讯系统中,开放系统互连(OSI)模型最为常见,其中将通讯分割为多个功能层,更容易落实弹性与互用网络。OSI模型共有七层,图2呈现简化版模型与TCP/IP堆叠范例。  


图2 简化版OSI模型(左)与TCP/IP协议堆叠范例(右)
连结层将位元转换为无线电讯号(反之亦然)、确保可靠无线通讯的资料架构,并管理无线电频道存取,在图2的网路通讯协定(TCP/IP)范例内,Wi-Fi为连结层协议。  

网络层为资料定址,并决定资料路线,网路协议(IP)为网际网路的网络层协议,为装置提供IP位址,并在装置转换时携带IP封包。传输层产生网络两端应用之间的通讯空间,开放单一装置运作多项应用,各自使用不同的通讯频道,传输控制协议(TCP)为网路主流传输协议。应用层负责资料格式,并为个别应用管理最理想的资料流动情况,TCP/IP堆叠内的热门应用层协议为HTTP,在网路内用来传输内容。  

分层网络较为复杂,亦需要较多程式码与记忆体,也得加注资料标头,因为每一层都需要额外架构与控制讯息,不过分层网络也大幅提高弹性与规模,故今日多数无线网络设计时,均使用类似图2的架构。简易网络设计几乎毫无分层,例如某项专利应用协议直接在无线电收发器的实体层上运作,此种专利模式效能极高,但主要用于单一功能的简易网络中。  

.使用IP与否 

物联网希望将一切事物都连结到网路,各项装置若直接连结至网路,必须使用IP Suite,才能透过网路,与其他装置及伺服器交换资料,不过装置若在地方网络内,亦可使用无IP协议,在内部网络中沟通。无IP装置可透过网路闸道器连至网路,闸道器一方面使用无IP模式与地方装置沟通,同时以IP模式和网路上其他装置沟通。  

装置内使用IP的优点在于,闸道器无应用限制,故可在装置内弹性调整或增加应用,不须改变闸道器设定,之所以不必改变家用网路,即可在笔记型电脑内新增网路应用程式,是因为笔电使用TCP/IP堆叠,而家用路由器(使用有线乙太网路或Wi-Fi)只控制连结层的资料。  

地方网络许多时候只为单一应用设计,例如使用无线感测器的警报系统形成地方网路,功能只有一个--传送感测器启动讯息至警报控制器,若控制器再透过网路,将讯息发送至手机内,则使用TCP/IP,但感测器与警报控制器之间沟通未必得使用TCP/IP,目前多数情况也并非如此。  

TCP/IP堆叠的其他优点,则来自网路应用普及无远弗届,但却常受到忽略,过去20年间,为TCP/IP创造的应用协议数量庞大,其中许多可用于地方网络,甚至不一定需要网路连线,若改变现有协议用途,可大幅缩短开发时间,IP网络诊断、管理及委托工具已经存在,亦有助于缩短开发周期。  

TCP/IP堆叠的一大缺点在于复杂又庞大,故需要不少处理能力及记忆体,连带延长开发所需时间,也得选用较昂贵的装置;复杂系统也导致资料封包较大,故收发之间耗能较高,因此许多简易网络选用较简单的专利协议,先前提到的警报系统无线感测器即为一例。  

随着矽晶技术演进,处理能力与记忆体日渐普及与平价,搭配无线网络处理器与无线微控制器(MCU)后,即使对于小型简易网络,TCP/IP通讯也颇具吸引力,未来将有更多应用从专利协议转向IP协议。  

.网络范围 

如图3所示,网络范围一般可分为四级:个人区域网络(PAN)、地方区域网络(LAN)、社区区域网络(NAN)、广域网络(WAN)。  


图3 个人、地方、社区、广域网络的不同范围与应用
个人区域网络通常为无线,涵盖范围约十公尺,常见无线PAN应用为智慧型手机透过蓝牙(Bluetooth)连结至各种配件,例如无线耳机、手表、健身装置等,无线PAN装置通常无线电传输能力较低,且使用的电池较小。  

LAN可能为有线或无线连结,或是两种混合,无线LAN(WLAN)涵盖范围通常为一百公尺,常见范例为家用Wi-Fi网络,提供网路连线至个人电脑、电视、智慧型手机,今日亦包括恒温器、家电等物联网装置。  

NAN通常为无线连结,涵盖范围超过25公里,传输采高功率级,但通常传递相对较低的资料流量,范例为智慧电网,使用专利协议与900MHz无线电,从家中传输电表读数至公用事业单位。  

WAN涵盖范围极广,可能包括整个地球,网际网路即属于WAN,由复杂的有线及无网连结组合而成。  

.网络拓扑与规模 
无线网络亦可依据节点配置及相连的拓扑分类,两种基本网络拓扑为星状及网状,如图4所示,星状拓扑中,所有节点皆连结至单一中央节点,通常做为网路闸道器,常见星状拓扑为Wi-Fi网络,中央节点称为“存取点”,其他节点称为基地台。  


图4 星状拓扑(左)与网状拓扑(右)
在网状网络中,每个节点均可连结至多个节点,网络中一个或多个节点为网路闸道器,以图4为例,每个节点都和其他所有节点相连,网状拓扑实际上较简单,常见范例为ZigBee Light Link网络,多座灯形成网状网络,延伸涵盖范围至大型建筑物,其中一个ZigBee节点为协调点,通常亦扮演网路闸道器角色。  

不过相较于星状网络,网状网络设计时较为复杂,若从遥远节点透过网状网络传递讯息,延误可能较严重;网状拓扑的优点在于透过多重跳跃,可扩大网络范围,同时维持低无线电传输功率,且因为讯息传递路径多元,故稳定性较佳。  

系统设计时,也得考量网络规模与同时连线装置数量上限,蓝牙等部分技术最高同时支援二十部装置,ZigBee等其他技术则可支援数千部装置。  

.标准与互用性 

通讯系统一大难题在于互用性,亦即众家厂商产品能否相互交换资料,对于这项挑战,许多标准组织希望藉由定义规格与测试程序,确保各装置之间的互用性。例如在图2的OSI网络模型中,有些标准定义单一或数个网络层,其他则定义整个点对点网络规格。  

国际电机电子工程师学会(IEEE)创设于1963年,为非营利组织,相当重视通讯与无线电工程,在网络技术领域一大贡献为IEEE 802.x系列标准,例如802.3定义乙太网络规格,管理今日多数有线电脑网络;802.11定义WLAN规格,成为Wi-Fi标准的基础;802.15.4定义ZigBee、6LoWPAN及WirelessHART使用的无线PAN标准。  

网路工程任务组(IETF)为开放标准组织,创始于1986年,负责发展TCP/IP等各项网路标准,透过公告各项以征求修正意见书(RFC)为题的规格草案,建立各项规格。公告之后,由IETF会员多次审查及编修,最终以“现有最佳模式”状态定案。目前RFC已定义数千项网路标准,例如RFC 791说明IPv4协议、RFC 793说明TCP协议,RFC 2616定义HTTP/1.1协议。  

IETF与IEEE均无认证方案,故厂商无法要求该组织认定产品是否符合任何标准,不过两个组织订定的标准均有助于落实商品标准化;其他组织采纳IEEE或IETF的标准后,建立相关认证方案,不过这些单位基于不同的理由,只采用IEEE或IETF部分标准。  

今日共有三家知名组织管理认证方案,确保无线装置之间的互用性,包括Wi-Fi联盟(Wi-Fi Alliance)、蓝牙技术联盟(Bluetooth SIG)、ZigBee联盟(ZigBee Alliance),三家单位均接受会员企业申请产品互用性测试,通过即可使用Wi-Fi、Bluetooth或ZigBee标志。  

IoT应用考量不同 各式无线技术百家争鸣 

以上介绍无线连结部分重要概念,亦论及无线连结系统设计时的工程取舍考量,以下将详细说明业界主要无线连结技术及应用。  

.Wi-Fi 

Wi-Fi技术以IEEE 802.11标准为基础,为IEEE 802.3有线乙太网路标准的无线版,故从一开始即为网路连结而生,虽然Wi-Fi技术主要定义地方网络的连结层,也自然与TCP/IP堆叠整合,故一般提到使用Wi-Fi技术时,其实代表网路连线时使用TCP/IP。  

由于智慧型手机与平板电脑大受欢迎,Wi-Fi技术因而无所不在,人们常称之为“无线”,今日多数住家、办公室、学校、机场、咖啡馆、商店里,均已成为Wi-Fi存取点,Wi-Fi之所以如此成功,关键在于Wi-Fi联盟的互用性方案相当普及,以及市场对于简易、平价的网路存取需求日增。  

Wi-Fi已融入所有新式笔电、平板电脑、智慧型手机及电视中,运用家庭与企业现有众多基础架构,下一步自然将帮助更多新产品跨入网路。  

Wi-Fi网络采星状拓扑,网路闸道器即为存取点,Wi-Fi的输出功率通常也足以涵盖全家;而在企业与大型建筑物内,则在不同地点设置多个存取点,提高网络覆盖范围,由于路径设计,大型水泥建筑内可能会出现死角,故不少Wi-Fi产品会包括两座天线,增加路径选项。  

多数Wi-Fi网络使用ISM 2.4GHz频段,亦可选用频道较多、资料速率较高的5GHz频段,但因为5GHz无线电范围在建筑物内小于2.4GHz,因此在企业应用中,前者总搭配多个存取点,确保Wi-Fi覆盖率不受影响。  

Wi-Fi与TCP/IP软体既大又复杂,若笔电或智慧型手机具备功能强大的微处理器(MPU)与庞大记忆体,则此事不成问题,温控器或家电由于处理能力低,过去不可能增加Wi-Fi功能,成本上也不划算。如今矽晶装置与模组上市时,已内建Wi-Fi与TCP/IP软体,即可免除微处理器多数所需空间,只需最小型的微控制器,即可使用无线网路连结功能,且整合程度愈来愈高,也能省去无线电设计需求,降低Wi-Fi整合门槛。  

为提高资料速率(有时超过100Mbit/s)及室内覆盖率,Wi-Fi无线电用电量颇高,并不适合以电池供电或无法时常充电的物联网装置,虽然Wi-Fi无线电的峰值电流难以大幅降低,最新矽装置运用先进休眠协议与快速开关,明显减少平均用电量。由于多数物联网产品不须用到Wi-Fi的最大资料速率,藉由智慧电源管理设计,可在极短时间内,自电池内取出高电流,故即使只用两颗AA硷性电池,亦可维持一整年运作,例如市面上部分运动手表内,即透过Wi-Fi上传健身资料至网路。  

多数Wi-Fi存取点最高能同时支援两百五十部联网装置,企业级存取点甚至更高,不过一般消费型存取点的上限为五十部。  

总而言之,Wi-Fi是今日最普及的无线网路连结技术,但是功率及复杂度较高,成为物联网开发商主要阻碍,不过最新矽装置及模组已明显降低门槛,帮助Wi-Fi技术整合在新兴物联网应用及电池供电装置中。  

.蓝牙 

爱立信(Ericsson)于1994年发明蓝牙技术,命名灵感来自古代北欧君王,做为电话与电脑无线通讯标准。蓝牙连结层使用2.4GHz ISM频段,过去以IEEE 802.15.1为标准,不过目前该标准已停止维护,改由蓝牙技术联盟管控蓝牙标准。  

蓝牙技术在手机领域相当成功,即便是入门款手机亦具备蓝牙功能,这项技术之所以受到欢迎,最初是耳机及车用的免持听筒功能,此后手机性能不断提升,用途也不断扩增,例如高传真音乐串流、医疗与健身配件等资料装置也不断演进。  

如前所述,蓝牙是种PAN技术,今日主要用来取代短程有线通讯,资料吞吐量最高达2Mbit/s,虽然规格内亦包括较复杂的拓扑,但蓝牙大多用于点对点或星状网络拓扑;这些技术耗电量相当低,装置通常使用小型充电电池,或是两颗硷性电池。  

蓝牙低功耗(Bluetooth Smart)为近期新增技术,为较低资料吞吐量设计,大幅降低蓝牙装置耗电量,只要使用钮扣型电池,即可运转多年,新一代智慧型手机与平板电脑均支援这项技术,故快速拓展蓝牙市场,并增加各种新式应用,如医疗与健身、玩具、车载、工业等领域,亦结合开启门锁等近距功能,或是搭配信标或地理围栏应用等适地性服务。  

传统蓝牙技术能在星状网络中,最多同时支援八部装置,蓝牙低耗能标准突破上限,理论上可支援的装置数无限,但实际上大约介于十部至二十部之间。  

蓝牙标准一项优点在于包括应用档案,详细定义应用如何交换资讯,以达到特定任务,例如影音遥控档案(AVRCP)中,定义蓝牙遥控器如何与影音设备互动,以传送播放、暂停、停止等指令。蓝牙技术联盟制订的认证方案相当完整,涵盖所有协议堆叠及应用档案,有助蓝牙在市场上达到绝佳互用性。  

至于蓝牙与物联网之间的关联,则是连结智慧型手机或平板电脑周围十公尺的无线配件,以做为网路闸道器;如穿戴式装置将心率资料储存于健身云端伺服器,或是电话控制的门锁回报状态至保全公司,都是蓝牙技术促成的物联网应用范例。  

.ZigBee 

ZigBee技术之名来自蜜蜂回巢时的摇摆舞,藉此和其他蜜蜂沟通食物所在的距离、方向及种类,这项典故也与ZigBee技术的网状拓扑有关,资料透过大型网络的众多路径,从各方向往来节点之间。  

ZigBee以IEEE 802.15.4连结层标准为基础,属低吞吐量、低耗能、低成本技术,主要使用2.4GHz ISM频段,不过该规格亦支援868MHz与915MHz ISM频段。ZigBee最高资料吞吐量为250kbit/s,但通常使用的资料速率更低,亦可维持长期休眠状态与低运转周期,只需钮扣型电池即可运作多年,市面上最新ZigBee装置亦可支援无电池的能源采集技术。  

ZigBee标准由ZigBee联盟维护,该组织设立认证方案,确保各装置之间的互用性,并授权合格厂商使用ZigBee认证标章,这套标准定义802.15.4连结层以上的网络层,多项应用档案亦可达到全系统互用性目标。ZigBee适合多种应用,但最受欢迎的领域为智慧能源、家庭自动化与照明应用,各自拥有不同的ZigBee档案及认证。ZigBee标准在这些领域如此受欢迎的另一项原因,则是网状拓扑可包括数千个节点。  

虽然ZigBee标准为IP规格,却与常见的智慧能源、家庭自动化与照明档案有别,故在产业内未获太多回响,ZigBee网络若要连至物联网,需要应用等级的闸道器,做为ZigBee网络其中一个节点,同时透过乙太网路或Wi-Fi运作TCP/IP堆叠及应用,才能让ZigBee网络连至网路。  

6LoWPAN这个缩写原为“IPv6 over Low Power Wireless Personal Area Networks”,意指IP在最小、最低功率、处理能力最有限的装置上运作,6LoWPAN是真正为物联网创造的第一种无线连结标准,不过在6LoWPAN之中,“个人区域网络”一词可能会令人混淆,因为6LoWPAN通常用于建构地方区域网络。  

这项标准是由IETF的6LoWPAN工作组建立,并于2011年9月,正式列入RFC 6282“使用IEEE 802.15.4网络的IPv6资料元压缩格式”,如这项标题所示,6LoWPAN仅定义802.15.4连结层与TCP/IP堆叠之间的高效能配接层。  

业界偶尔会使用6LoWPAN一词描述整个协议堆叠,包括802.15.4连结层、IETF IP标头压缩层、TCP/IP堆叠,但实际上业界对整个协议堆叠并无一致标准,亦无标准组织制定6LoWPAN解决方案的认证计画。由于802.15.4连结层具有多种选择模式,个别厂商可选择在地方网络等级无法互用的解决方案,却仍称之为“6LoWPAN网络”。所幸只要使用相同的网路应用协议,即使6LoWPAN装置身处在不同网络内,亦可透过网际网路彼此沟通;此外,6LoWPAN装置能与网路上任何IP伺服器及装置沟通,也包括Wi-Fi及乙太网路装置在内。IPv6之所以成为6LoWPAN除了IPv4之外唯一支援的IP,是因为定址空间及网络较大,也因为内建支援网络自动设定。  

6LoWPAN网络需要乙太网路或Wi-Fi闸道器,才能存取网路,这种闸道器与Wi-Fi技术类似,属于IP层闸道器,而非应用层,故6LoWPAN节点及应用可直接存取网路,由于网路至今大多仍使用IPv4,6LoWPAN闸道器都会包括IPv6-to-IPv4转换协议。  

6LoWPAN在市场上尚属后进,最初建置同时使用2.4GHz及868MHz/915MHz ISM频段,利用IP通讯优点与802.15.4特色,包括网状拓扑、大规模网络、可靠通讯与低耗能等,很适合连网感测器及其他低资料吞吐量与电池供电应用。  

.Sub GHz 

今日许多工业应用以专利协议运作无线电收发器,无线电收发器提供网络连结层或实体层,其他网络协议则由原始设备制造商(OEM)执行,此种架构为系统设计师提高弹性,却会牺牲互用性与开发时间。  

这些专利无线电系统主要使用较低的ISM频段,包括433MHz、868MHz、915MHz等,故常统称为Sub GHz解决方案,通常传输功率高,在点对点或星状拓扑内,可传输逾25公里,许多公用事业机构都采用专利NAN,将量表读数汇集至社区搜集站;Sub GHz无线电其他热门应用包括保全系统、工业控制与监控。  

若要连至物联网,Sub GHz系统需要应用层网路闸道器,通常亦即一部运作TCP/IP堆叠的个人电脑。  

善用各种无线通讯技术 智慧联网设计一把罩 

世界上无线技术众多,各有其优缺点,关键在于何者最适合何种应用,希望本文有助各位认识热门物联网无线技术,以及每一项的长处和短处,图5以范围、吞吐量、电源、网络拓扑等标准比较各项技术,这些项目都该列入决策过程中,因为其中有许多交集之处。  


图5 无线技术参数概要
本文并涵盖成本、整合难易度与安全性等考量因素,许多新产品的整体解决方案成本及整合难易度均已大幅改善,也都使用无线连结,尤其在个别应用中,更要进一步思考成本及整合。物联网应用的安全层面包括每一协议支援能力,以及额外软硬体考虑项目,都值得另写一篇文章介绍。  

关键字:物联网  无线连结

编辑:北极风 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/xfdz/2015/0326/article_40899.html
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