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智慧家庭時代來臨 無線聯網技術大比拼

智慧家庭的無線聯網技術中,最常見的有WiFi、藍牙(Bluetooth)、群峰無線網路(ZigBee)、超寬頻(Ultra WideBand;UWB)、Sub-GHz(1GHz以下頻段)等,這些通訊技術彼此之間無法直接相容,各有不同標準與協定,也各有其優缺點。但為了搶食智慧家庭的大餅,儘管目前多數業者還是各擁聯網技術,但已有部分互通協定正在規劃當中……

無線網路傳輸技術是實現智慧家庭最重要的基礎,家庭中所有的智慧物件,例如智慧家電、智慧照明、智慧電視、溫度控制器、安全監控設備、節能設備等等,必須透過網路聯結才能發揮其智慧化(偵測、感知、情報)與自動化的功效,提供人們更安全、更舒適、更便利的居住環境(參見圖一)。

圖一、智慧家庭示意圖 

現行聯網技術種類繁多,其實常讓人混淆,不知道如何選擇,筆者就適合智慧家庭的無線聯網技術為各位整理介紹。

智慧家庭的無線聯網技術,最常見的有WiFi、藍牙(Bluetooth)、群峰無線網路(ZigBee)、超寬頻(Ultra WideBand;UWB)、Sub-GHz(1GHz以下頻段)等。

這些通訊技術彼此之間無法直接相容,各有不同標準與協定,也各有其優缺點。

為搶食智慧家庭的商機,這些通訊技術的背後,都有各種聯盟、組織,全力推動及增訂其技術規格,競爭非常激烈。產品製造商基於市場及應用的各種訴求,常常需得在眾多選項中「押寶」某幾種通訊技術,而使用者也最好能對這些通訊技術名詞有初步的認知,才可以掌握產品特性,操作愉快。

以下就前述的通訊技術逐一介紹:

WiFi(IEEE 802.11.x)

耳熟能詳的WiFi是依照IEEE 802.11.x標準制定的無線通訊技術,它已普遍存在我們的生活周遭,技術已相當成熟,開發難度小,進入門檻也低,這表示產品成本也比較低。

歸屬於無線區域網路(Wireless Local Area Networks;WLAN)的WiFi通訊技術,適合用於建構家庭無線網路、辦公室無線網路,尤其在無法架設電纜的戶外空間,可以用WiFi來改善上網環境。不同於行動電話的多頻段區分,WiFi專注運行於2.4 GHz頻段(802.11n也適用於5 GHz頻段),故任何WiFi標準裝置在世界上任何地方都可無差異的工作。

WiFi的網路架構,是以一個存取點(Access Point;AP)為中心,周圍最多只能同時連接32個節點(設備),而這種架構即是屬於網路拓樸結構中的「星狀」結構(參見圖二)。例如家中的無線分享器,就是將有線(數據機)跟無線連接起來的AP,可以將這個AP視為無線基地台,筆電、手機、平板等裝置就可以利用無線的方式連接到AP,達成同時上網的目的。

圖二、網路拓樸結構圖 

WiFi的電波覆蓋範圍在室外開闊空間可達100公尺,在室內約35公尺,但是會 
有因樓層、牆壁甚至僅僅一扇門就會大幅衰弱訊號強度的缺點。在資料傳輸速度 
方面,WiFi適合做為大量資料傳輸的管道,在產品規格上常見的無線網路支援 
802.11a/b/g/n字樣,其所對應的傳輸速度分別是54 Mbps、11 Mbps、54 Mbps、300 
Mbps(參見圖三)。

圖三、無線通訊技術的覆蓋範圍與資料速率比較

因為WiFi傳輸速度高,距離遠,所以比其他的無線技術更耗電,故不太適合用於以電池供電的家庭設備中,例如智慧門鎖,否則需要隨時充電,徒增麻煩。另外,WiFi的安全性也略遜於其他無線技術,近來就有一些駭客成功入侵智慧家庭產品的報導。為了避免個人的生活細節及隱私曝光,甚至危及居家安全,WiFi的安全機制還要多加把勁。

Bluetooth

藍牙(Bluetooth)是一種無線個人區域網路(Personal Area Network;PAN)通訊技術,適用於短距離無線傳輸,具有高抗干擾能力、高安全性、易配對等特色; 
但用於電池供電的系統上,會有功耗過高的問題,而且成本也比WiFi和ZigBee來的高,以致於在要求低成本、低功耗的智慧家庭市場上發展受限。

藍牙也是採用「星狀」網路架構,但網路內的設備是主從式Master and Slave關係,亦即一個主裝置Master最多可以同時連接七個從屬裝置Slave,主動要求連線的為Master,而被要求連線者為Slave。一個藍牙裝置可以是Master或Slave,規定是先提出連線要求者就是Master。簡單地說,藍牙組成的網路沒有基地台的觀念,這是跟WiFi網路最大的不同點。

藍牙、WiFi、ZigBee都是使用2.4GHz頻段,訊號容易互相干擾,但因為藍牙有自動調頻模式,可以將2.4GHz頻段劃分成79個頻道,並以每秒1,600次的頻率轉換頻道,有效避免了干擾問題。

目前藍牙技術聯盟(Bluetooth SIG)推廣的藍牙技術規格有2.x版、3.0版、4.0版,其中藍牙2.x版就是我們已經普遍熟悉的藍牙,傳輸範圍僅10公尺,資料傳輸速度只有1Mbps到3Mbps(參見圖三);藍牙3.0版則強調高速,傳輸速度大幅提升到24Mbps,但仍無法有效解決藍牙高耗電問題,以致推廣應用上還無法獲得更進一步突破。

藍牙4.0版的重點則是在低功耗(Low Energy;LE),並分成Bluetooth Smart Ready、Bluetooth Smart與標準藍牙等三種規格,其中智慧手機是採用Bluetooth Smart Ready,而Bluetooth Smart是鎖定健康醫療及智慧家庭應用。4.0版的傳輸速度還分成正常規格的3Mbps及高速規格的24Mbps,傳輸距離延長到60公尺,並改善因高速傳輸而導致的高功耗問題。

傳統藍牙限制同一個網路上僅能有8個節點(設備),在擴充性上顯然比WiFi差,但已有廠商發表針對Bluetooth Smart所開發的網狀(Mesh)技術(參見圖二),一舉讓藍牙的節點(設備)數目提升到65,000個,而且正極力推動使之成為下一代的藍牙標準規格,這將在智慧家庭市場中對ZigBee技術帶來極大的競爭威脅。

ZigBee

ZigBee與藍牙同樣被歸屬在個人區域網路(PAN)的架構下,採用的是IEEE 802.15.4標準,具有極低耗電、雙向傳輸等特色,當有資料傳送需求時則立即傳送,並進行雙向確認,因此大幅提高資訊傳輸之可靠度。

ZigBee裝置發送訊號時,若受到干擾而造成資料遺失,以致接收端無法正確接收,則ZigBee裝置發送端將得不到從接收設備傳來的反饋訊號,因而發送端將重新發送訊號,直到獲得接收端反饋訊號,以確定資料被正確接收。

ZigBee另一特色是組網能力,不同於WiFi和Bluetooth的網路架構,ZigBee是採用網狀(Mesh)網路架構(參見圖二),組網節點(設備)可以任意分佈在猶如蜘蛛網般的網狀網路上。因為ZigBee採用16位元短定址或64位元擴充定址,所以理論上節點數目可以多達65,000個。

ZigBee網狀(Mesh)網路的運作方式是,當一個節點需要連接時,它將發送一個路徑請求,其他節點則在路徑表中查找,如果有到達目標節點的路徑,則回報給來源節點,來源節點收到訊息後,會選擇一條可靠、跳數最小的路線,並儲存該路線資訊到本地路徑表,以方便未來所需。

所以,ZigBee的訊息傳遞方式像是「接力賽」,從一個節點傳到下一個節點,最後傳到最遠端的目地節點。在室內,由於建築物的遮檔,可以在傳遞路徑上安裝數個節點,做為訊息中轉站,並遶過遮檔物傳遞訊息。例如,在辦公大樓、大飯店等,就可以採用ZigBee網路方案,實施大面積、跨樓層的照明控制和空調控制等服務。

ZigBee有效傳輸範圍一般為10到75公尺,傳輸速度只有10K至250Kbps,並會隨著傳輸距離的增長而減慢(參見圖三)。其實,大部份的智慧家電,只有在有需求時才要傳遞資料,且資料量小,這時候ZigBee的這個「弱點」反而無足輕重了。

無疑的,ZigBee是現今智慧家庭市場上最受矚目的無線技術,它的低成本、低功耗、低速率、擴充性等特色,填補了無線通訊市場的空缺,也正好滿足部份智慧家庭設備的需求標準。

ZigBee聯盟已針對智慧家庭應用推出各式規範,像是智慧能源(ZigBee Smart Energy)、家庭自動化(ZigBee Home Automation)與電信服務(ZigBee Telecom Services)等認證規格,目前已有上百樣產品獲得ZigBee的認證。

至此,筆者先列出一張關於WiFi、Bluetooth、ZigBee的比較表(參見表一)給讀者們參考,希望能夠幫助大家更清楚地分辨這三種無線網路技術主要特性和差異。

表一、WiFI、Bluetooth、ZigBee無線通訊技術比較表

Ultra WideBand(UWB)

超寬頻(UWB)也是一種無線個人區域網路(Personal Area Network;PAN)通訊技術,於本世紀初才正式啟動,具備低耗電,高抗干擾性,高安全性,高速傳輸,頻寬大等特色;適合用於短距離內傳送大量資料的應用,例如家庭高畫質影音娛樂串流。

與傳統的通訊技術所使用的載波傳輸方式不同,超寬頻的傳輸方式是採用非正弦波短脈衝通訊技術,利用奈秒(ns,10-9秒)至微微秒(ps,10-12秒)級的短脈衝來傳輸數據(參見圖四)。這種技術被稱為直接序列超寬頻(Direct Sequence Ultra Wideband;DS UWB),也是實現超寬頻最傳統的方法。

圖四、載波傳輸與脈衝傳輸比較圖

傳統的載波傳輸方式,如調頻(Amplitude Modulation;AM)訊號,因為使用單一頻率的正弦波來傳遞訊號,所以在頻譜上呈現的是位於該單一頻率上的一根能量尖峰。超寬頻則是用一序列的極短脈衝來傳遞訊號,佔用的頻寬不再是單獨一根能量尖峰,而是可以橫跨到幾個GHz頻寬的能量分佈(參見圖四),按照美國聯邦通訊委員會(FCC)規定,超寬頻的工作頻段是從3.1GHz到10.6GHz。

超寬頻發射功率很小,耗電量遠低於WiFi系統,因此適用於個人隨身攜帶的無線裝置。又傳輸的脈衝訊號難以被截收解密,故安全性高且不易受干擾。另外,不需載波的傳輸方式,使得超寬頻晶片複雜度降低,系統成本自然得以下降。

超寬頻採用點對點傳輸架構,傳輸距離都是在十公尺之內,傳輸速度可高達480Mbps。相較於藍牙最高24Mbps的傳輸速度限制,以及WiFi的高功耗隱憂,超寬頻正好能補足這些缺點,從而提供了低功耗且高傳輸速度的解決方案。

Intel另外提出了多頻帶正交分頻多工(Multiband-OFDM)超寬頻技術,利用多個頻道組成超寬頻利用,與前述的直接序列超寬頻(DS UWB)互別苗頭,並強調其更適合於高速傳輸。但相對地,系統設計將更為複雜(參見圖五)。這二種技術規格各有支持者,以致IEEE UWB工作小組對於該採用那種技術做為國際標準的議題,遲遲無法達成共識,遂於2005年自行解散工作小組,交由市場機制決定。

圖五、DS UWB與Multiband-OFDM UWB比較圖

雖然目前依然沒有IEEE超寬頻國際標準規格,DS UWB與Multiband-OFDM的激烈競爭也已冷卻,原因不明,仍有晶片商在持續研發新技術與新產品,例如日本的數位相機製造商,期望能夠擴大市場接受度。前述的二種超寬頻技術,本身都有其特殊價值,不致於被淘汰掉,還是很有潛力可以獲得廠商青睞及市場肯定。

Sub-GHz

無線通訊2.4GHz頻段是世界各國共同開放的ISM頻段(Industrial Scientific Medical Band),欲使用ISM頻段,無需許可證或費用,只需要遵守一定的發射功率限制,並且不要對其它頻段造成干擾即可。WiFi、Bluetooth及ZigBee即是工作於2.4GHz頻段的通訊技術。

國際電信聯盟(ITU-R)指定的ISM頻段除了2.4GHz之外,還有如61GHz、24GHz、5.8GHz、915MHz、434MHz等等頻段,其中低於1GHz的頻段被稱為Sub-1GHz或Sub-GHz頻段。要注意的是,除了2.4GHz是全球共同開放的頻段之外,其它的ISM頻段在各國的開放規定並不一致。

無線電波遇到障礙物的阻擋,就會有訊號減弱的現象,訊號衰減率與訊號頻率成正比,因此Sub-GHz訊號的衰減率會低於2.4GHz訊號,所以與WiFi或藍牙相比,Sub-GHz會有比較好的傳播效果。在長距離的傳輸環境下,低頻無線電波的路徑損耗表現又優於高頻無線電波,因此Sub-GHz訊號能傳得更遠,傳輸距離可長達1公里,甚至更遠。

與充斥著各種訊號的2.4GHz頻段相比,Sub-GHz頻段頻譜的干擾更少。在這種干擾較少的頻段,傳輸更為容易,重複傳送的次數也能減少,網路的整體效能顯著提高,因此可以大幅降低系統的耗電量。

Sub-GHz具有長距離傳輸,超低功耗的特性,使得系統整合商可以只用少量的設備,即能覆蓋長距離區域,並且可以將設備放置於主電源無法連接的地方。例如採用Sub-GHz技術的家用智慧電表,可以長期不需更換電池,就可以持續與遠處的供電端溝通,供電端收集眾多用戶的用電資料後,可以提升線路保養維護效率,也可以調整電力的生產與輸配,或調整家電及企業用戶的耗電量,以達到節能環保的目地。

Sub-GHz的IEEE國際標準尚未出爐,預計在2016年,IEEE應該可以完成802.11ah標準的制定。另外Sub-GHz應用只需要低傳輸率,所以目前已知802.11ah標準至少能支援150kbps的傳輸速度。Sub-GHz的缺點是各國尚未統一共用頻段,所以晶片商也只能設法讓同一晶片盡量支援多種頻段。

在智慧家庭的應用產品中,從傳輸資料量較低的大型家電,如冰箱、洗衣機等,到龐大資料流量的影音娛樂,均有其所對應的最佳無線通訊技術,因此前述的各式規格沒有一個可以「通吃」智慧家庭的所有工作,也無法相互取代。

智慧家庭概念存在已久,終於在近一兩年來,有了更明確的實現機會,衍生的商機更是可觀。為了要分食這塊大餅,各個通訊技術陣營也早已提升其標準規格來滿足市場需求。何種無線通訊規格可以稱霸智慧家庭,還是有更新的通訊協定出來一統江山,現在誰都無法下定論,只能等待時間去證明。儘管目前多數業者還是各擁聯網技術,但已有部分互通協定正在規劃當中。技術被整合或被取代的趨勢也許難免,但只要其有持續的進步發展,能讓我們的生活環境更方便、更節能、更人性化,才是該技術的價值所在。

文章來源: 北美智權報-謝錦星/北美智權 教育訓練處 研發創新顧問 http://www.naipo.com/Portals/1/web_tw/Knowledge_Center/Research_Development/publish-89.htm