争物联网通信应用主流,低功耗无线网络方案技术竞争日趋白热化

标签:物联网安全技术产品

访客:15296  发表于:2017-05-11 09:45:27

争物联网通信应用主流,低功耗无线网络方案技术竞争日趋白热化

看好物联网应用市场,预估初期网络设备布建需求强劲,科技大厂纷纷积极投入物联应用通信技术开发,其中针对物联网应用特性优化的低功耗无线广域网方案技术发展动态,不意外成为这波物联网应用技术竞争重点...

低功耗无线通信技术,除了现有方案较成熟的低功耗蓝牙、低功耗Wi-Fi,或是物联网应用已相当广泛的ZigBee通信技术外,其实针对物联网应用需求开发的低功耗无线广域网方案技术,在物联网应用市场中更显得格外受人注意。

物联网应用偏好LPWAN通信技术

LPWAN通信技术具更大范围的无线传输距离,同时也能兼顾电池驱动感测模块终端所需的低功耗表现,因此备受物联网开发业者期待,不同技术阵营的通信技术较劲在拉拢通信半导体大厂、技术竞争等方面动作均持续不断,力图在短时间透过释出技术标准、加速测试验证抢下物联通信讯技术主流地位。

LoRa联盟抢食物联网通信方案主导的动作积极,例如Microchip在2015年即开始生产RN2483 LoRa通信模块,RN2483使用868MHz免许可的应用频段进行无线传输,同时符合LoRaWAN 1.0版协议规范,可以用来建构长达10英里的M2M(Machine to Machine)机器对机器低速无线传输应用,设备若采取电池电力驱动,还可提供相对较长的使用电力备援。

LoRaWAN标准为瞄准物联网应用规划

与现有家用或工业用无线通信技术比较,LoRaWAN标准为瞄准物联网应用规划,技术可以实现远距离M2M无线数据传输数据链结,并在低传输功耗基础下进行低速数据数据传输通信,适用采电池为主要供应电源的物联网感测终端设备,电力供应甚至可以延续维持长达十年连续使用,加上相准物联网应用,LoRaWAN的联网与终端扩展能力,也可搭配LoRaWAN网关进行高密度的感测终端部署。

以Microchip推出的RN2483 LoRaWAN功能模块为例,由于模块内建LoRaWAN协议堆栈,RN2483可以快速完成开发所需的功能联机部署,发展相应支持LoRa联盟基础设施的链接需求,如衔接局域网络(LAN)或与电信服务商的网络进行整合连接,行程可以跨城镇甚至覆盖全国面积的低功耗广域网服务支持。

LoRaWAN兼具节能与长距离无线传输应用特质

早期物联网应用开发者,通常仅能在感测终端开发上面对许多折衷设计,例如,开发可支持长距离无线传输的感测终端,就必须放弃终端设备的运行功耗要求;而要求终端高效率的电池使用效能,也只能选择低功耗、受传输距离限制的无线通信技术方案。

但无线数据传输距离与电池续航力性能的开发目标,可以在导入LoRaWAN低功耗广域网的通信方案获得改善,建立具高度可扩展性、实践更长传输距离、更低功耗与更低成本的感测终端,甚至建构相关物联网应用还可省下延伸无线传输距离的中继器、网关额外设备建置与部署成本。

除Microchip积极投入LPWAN物联网解决方案应用外,STMicroelectronics加入LoRa联盟后积极布局LPWAN通信技术应用市场。STMicroelectronics即与Semtech进行LPWAN通信产品开发设计,STMicroelectronics除将在LPWAN物联网应用积极推出微控制器整合LoRaWAN低功耗广域网无线传输技术的解决方案外,也计划与Semtech共同推广LoRa技术,扩展LoRaWAN无线通信技术方案进入不同整合需求的物联网、工业控制无线感测终端应用。

Weightless-P支持双向传输

Weightless技术则是LPWAN通信技术另一款重要的无线通信应用方案,主导Weightless技术发展的Weightless SIG在2015年底也积极释出更丰富的功能吸引应用市场青睐,例如推出新技术的Weightless-P,针对基于广域物联网基础下更高的连接扩展终端应用需求支持、建构具备重要的双向无线传输链路支持、高速数据传输速率能力(传输性能可动态调整、200bps~100kbit/s速率进行无线数据传输),同时Weightless-P在基于蜂巢式网络应用技术下进行功能扩展,甚至可较现有LPWAN应用提供更高容量的传输支持。

Weightless-P是基于开放性架构的LPWAN通信技术标准,Weightless-P为使用免授权即可应用的sub-GHz频段运作相关功能,使用12.5kHz的窄频通道采FDMA(Frequency Division Multiple Access)+TDMA(Time Division Multiple Access)调变,作业于免授权的sub-GHz ISM空白频谱(white space)频段。进行无线数据传输,透过开放标准与更长距离传输应用支持,搭配关键参数进行物联网连接能力重新定义,提供物联网应用低复杂度、长电池寿命、高可靠度、传输范围长与高安全的开放通信技术标准。

由于Weightless-P标准为瞄准传输条件相对较严苛的都会应用环境需求设计,可在2km距离范围内支持采电池电力驱动终端设备的移动装置,与无线应用其他装置进行双向无线数据通信。

Weightless-P标准号称可在2016年初推出相关支持硬件。更有趣的是,基于Weightless-P标准开发的物联网应用,在IoT(Internet of Things)装置与通信基地台之间可以实践时间同步、进行数据双向传输,还可优化无线电频谱资源使用进行物联网装置漫游联机支持。

低功耗Wi-Fi HaLow技术方案

有趣的是,物联网应用实在太热门,也吸引目前使用率最高的Wi-Fi网线通信技术阵营为巩固应用主流地位,也释出针对物联网连接需求架构优化的Wi-Fi HaLow低功耗通信技术方案。Wi-Fi HaLow为瞄准低功耗传输需求开发,该通信技术为基于IEEE 802.11ah通信技术标准,使用频段为2.4GHz、5GHz或900MHz频段,相较目前IEEE 802.11ac Wi-Fi通信技术,Wi-Fi HaLow低功耗通信技术在讯号覆盖范围可扩展一倍,更长的传输距离在部署物联网应用终端更具使用价值。

Wi-Fi HaLow通信技术方案,适合应用于智能家居、智慧城市或智能工业等物联网应用,比较现今主流Wi-Fi技术,由Wi-Fi HaLow低功耗通信技术的传输功耗极低、加上Wi-Fi通信应用本身的技术渗透率较高,Wi-Fi具备可穿墙传输、较长传输范围等优点,对于穿戴式应用或是物联网传感器部署均具备导入价值。

Wi-Fi HaLow可以扩展Wi-Fi无线通信技术至900MHz应用频段,这会适合如穿戴式电子应用、特殊传感器部署、或其他低功耗物联网应用终端,无线传输可涵盖的收/发范围可以较现有Wi-Fi无线应用扩展一倍以上距离,由于该技术基于使用率相对高许多的Wi-Fi无线传输协议,业界一般预期在导入物联网应用、相关技术软/硬件与服务方面的无线通信验证,将可以加快应用市场提高渗透率目标。

Sigfox无线通信技术

来自法国的Sigfox无线通信技术,特性恰好与介于先前文章提到的LoRa与NB-IoT之间,Sigfox虽然采用非授权频谱,但是需要仰赖厂商搭建的基地台,如此一来便能在成本与通信质量上取得平衡,此外Sigfox也提供Sigfox Could云端系统整合服务,能够降低用户开发程序、存取数据的复杂度。

Sigfox也是种低功耗广域网(Low Power Wide Area Network,简称LPWAN)规范,它采用Sub-1 GHz ISM频段进行通信,这种无线电波为运作频率在1GHz以下的工业、科学和医疗专用波段,根据维基百科记载,使用这些频段无需许可证或费用,只需要遵守一定的发射功率(一般低于1W),并且不要对其它频段造成干扰即可。

虽然Sigfox与LoRa一样,采用不需额外申请、支付相关费用的非授权频谱,但是它却采用蜂巢式网络通信硬件架构,和NB-IoT一样需要透过厂商搭建的基地台提供通信服务,因此它的特性恰好夹在LoRa与NB-IoT之间,具有位于两者之间的布建成本与通信质量。

目前Sigfox已在法国、德国、美国等多个国家布建网络系统,截止2017年1月为纸,其网络已涵盖29个国家和地区,台湾部分则由Unabiz公司代理并负责建设,于2016年12月启动六都的网络建设。根据中时电子报的报导Sigfox预定于2017年第1季完成六都网络,并于2018年第1季达成台湾全岛覆盖。

NB-IoT特别适合物联网装置使用

NB-IoT的全名为NarrowBand IoT,顾名思义,就是为物联网装置设计的窄频无线电通讯技术,它是由3GPP(3rd Generation Partnership Project,第三代合作伙伴计划,功能为制定国际电信标准的组织)所提出的通讯标准,以目前手机使用的移动通讯技术为基础,让透过电池提供电力运作的物联网装置,能够具有长距离通讯的能力,以及保持长续航力的特色。

不同于LoRa采用非授权频谱,NB-IoT则是采用授权频谱,两者主要的差异在于是否需要无线通信使用的频段,是否需要经过主管机关分配与授权电信商使用。简单地说,一般手机使用通讯频段,就是属于需要受到管制的授权频谱,申请执照后才能使用,一般人不能私自架设基地台,而Wi-Fi无线网络则属于非授权频谱,大家都不需申请即可自行在家中装设热点。

由于LoRa采用的是非授权频谱,因此在使用的过程中不会产生相关费用,然而因为NB-IoT采用频率低于1GHz授权频谱,根据NB-IoT vs LoRa Technology白皮书的信息,这种sub-GHz频谱中,每MHz的申请成本约为美金500万元,另一方面,因为NB-IoT需要仰赖移动通讯的基地台,所以在建置成本上会比较高。

不过也就是因为NB-IoT用户许可证频谱,因此讯号比较不会受到干扰,能够避免在装置繁多的环境中发生彼此干扰的问题。而且相较于LoRa使用的通讯方式为异步通讯协议,NB-IoT使用的同步通讯协议能够降低通讯的延迟。

有趣的是,虽然NB-IoT需透过基地台提供服务,但是它能兼容于4G移动通讯的基地台,因此在已经具有4G移动通讯网络的区域,只须需更新基地台内的软件就能完成部署,不需重新架设专用基地台,因此实际上并不会花费太多时间与成本。

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