無線網路當紅　開放/專屬標準搶風采

近期消費性電子(CE)產品市場中的一項趨勢，是於產品內加入無線及連線功能。許多不同產品都已加入無線功能，例如電表、瓦斯表、水表、住家保全系統、電視遙控器或運動器材等。其中部分原因是為了便於使用者使用，例如，相較於具指向性或稱視線範圍內(LOS)的紅外線遙控器，無線遙控器可於家中任何角落進行操作不受干擾。  

然而，另一項原因是避免在住家裝設保全系統時花費昂貴的裝配線路費用。此外，針對水電、瓦斯等公用事業，若能善用諸如自動抄表(AMR)或進階計量基礎架構(AMI)等產品同樣可以省去不少麻煩。當然，前述各種應用，都極須可按年度測量電池壽命的低功耗通訊協定。因此，各式無線網路通訊協定紛紛問世，成為近期大勢所趨。  

無線網路通訊協定眾多　深入了解以利應用  

目前既有的無線網路通訊協定眾多，如標準通訊協定包括IEEE 802.15.4、無線區域網路(WiFi)、無線射頻辨識系統(RFID)、無線通用序列匯流排(Wireless USB)、藍牙(Bluetooth)、ZigBee及ZigBee Pro等皆在其中。另外，在非標準部分，由晶片廠商、協力廠商或本文所稱「自行裝配」網路的專屬通訊協定，則完全由在本身產品中使用網路的公司進行建構與控制，因此又稱專屬網路。  

從表1可以看出，如ZigBee/IEEE 802.15.4等無線通訊網路與其他通訊協定，多著重在低功耗連接上，但其他重點也包括低資料傳輸速率、小操作範圍、低訊框占量、通訊協定直接相關的電源管理考量及低複雜度。各項設計考量都是最終降低網路個別節點耗電的基礎。由於裝置都能透過電池獲得最佳的供電效能，而且價格遠低於支援較大且較複雜通訊協定的硬體，因此低功耗無線網路相當適合環境監控市場應用。

表1　無線通訊協定參數及重點應用
技術名稱	ZigBee	--	WiFi	藍牙
標準	802.15.4	GSM/GPRS CDMA/1xRTT	802.11b	802.15.1
應用方向	監控	區域語音與數據傳輸	網路瀏覽、 語音交換	短距傳輸
系統資源	32K～64KB	16Mb	1Mb	250KB
電池壽命(天數)	100～1,000	1～7	0.5～5	1～7
網路大小	未限制	1	32	7
頻寬(Mbit/s)	20～250	64～128	11,000	720
傳輸距離(公尺)	1～100	1,000	1～100	1～10
特性	可靠性、 低功耗、低成本	高品質、 易取得性	高速、彈性	低成本、便利性

資料來源：ZigBee Alliance  

低功耗網路的設計主要是為電池壽命長達數月或數年的產品提供連線功能。在大多數低功耗無線系統中，使用最多電源的部分是無線射頻傳輸與接收資料，因此極須將無線射頻的耗電量降至最低，以便能達到最長的電池壽命。由於可傳輸和接收訊號的距離是天線的功率輸入的函數，因此各節點間的無線網路範圍通常受到限制。無線通訊協定通常也較不複雜，並經由減少運算能力消耗與大量記憶體的需求，進而使成本降低。  

圖1為一般低功耗網路節點的結構示意圖。一般而言，會有一個或多個感應器收集資料或狀態，並且提供系統的使用者介面。無線射頻處於傳輸和接收狀態時，微控制器(MCU)能夠做為感應器的介面，並且控制無線射頻，此微控制器在示意圖中為CC1100或CC2500。

圖1　自動讀表應用為例的一般低功耗網路節點結構示意圖

開放式系統互連(OSI)基本參照模型可說明這些節點在進行有線或無線通訊的所有網路中的概念。這個模型是由國際標準組織(ISO)於1970年代晚期開發而成，其中將網路通訊協定的組成部分區分為多個軟體層。若不同裝置的兩項應用須要進行通訊，訊息必須從應用層向下逐層傳遞到實體層，然後從實體層向上逐層傳遞至應用層。其中每一層都只會與上一層或下一層進行傳輸。  

OSI模式分為七層(圖2)：應用層是使用者直接使用的介面、展現層通常會透過訊息加密或編碼，將訊息規範為網路能夠識別並進行傳遞的格式、會議層建立及管理網路上任何兩項裝置間的邏輯連結、傳輸層負責提供可靠的端對端通訊，如果傳輸層經常出現問題，可能是因為雜訊過多或連接不良，此時傳輸層會通知會議層在傳輸失敗的兩個節點間建立新連接、網路層負責網路傳遞機制，而在兩個不同裝置之間傳送訊息的工作則由資料連接層進行、資料連接層進行訊息的點對點傳送，而在網路硬體實際傳送訊息的工作則由實體層進行。因此，訊息從OSI的第七層向下逐層傳遞到第一層，然後從第一層向上逐層傳遞到第七層。

圖2　網路分層架構

設計人員可選擇採用不同分層數的通訊協定，也可以按照應用所需自訂其他層。大多數的網路運作都不會完全應用全部七層，而會根據通訊協定的需求整併部分層的功能。事實上，OSI模型是體現通訊協定架構複雜度與功能時可據以考量的架構，而設計人員必須時時察覺本身的解決方案有哪些功能已使用或尚未使用。  

而在選擇無線通訊協定如ZigBee、802.15.4或專屬網路時，仍有一些必須謹守的實用準則，如應用考量、穩健度與可靠性、使用便利性、硬體與無線射頻考量等，以下就各項準則進行詳細說明。

‧	應用考量
	如同其他任何系統設計，網路設計的起始步驟也是先定義應用的高層級需求。以下列舉部分須在選擇無線通訊協定做為解決方案時，予以定義的重要網路參數。例如針對網路拓撲部分，此應用需要多少個節點，而這些節點位於網路內哪項一般性組織中？而關於通訊可靠性，在網路接收各個資料封包的過程是否穩定？資料是否須要確保其安全性？如果是，網路資料傳輸是否絕對安全？網路通訊協定解決方案又需要多少程度的客製化，才能符合應用需求？通訊協定是否具備客製化所需的設計靈活度？開發時間與通訊協定複雜度，討論中的通訊協定的複雜度為何？需要多少時間才能了解討論中的通訊協定，並且整合到現有應用中？而開發客製化的解決方案需要多少時間？另外在互通性上，終端產品是否與其他廠商的產品相容？或者終端產品是完全專屬而無法互通的解決方案等。圖3舉出四種可供實作的最常見無線網路拓撲。 圖3　低功耗網路拓撲

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穩健度與可靠性

低功耗無線網路通訊協定的穩健度與可靠性可概略分為三類：訊息傳送、實體層考量與傳訊通訊協定。訊息傳送與傳遞方法有關，傳遞方法必須確保能成功進行封包傳送，並達成網路交易的安全性。實體層考量必須解決運作通道中雜訊或其他傳輸干擾的問題。傳訊通訊協定則會定義區分通道的方式，以便所有裝置都可使用網路硬體，而不至於發生封包衝突或傳輸中斷等問題。所有這三項都有助於提升網路的服務品質(QoS)，而且這三項可視為一套網路指標，用以衡量封包通訊的效率、傳輸率及錯誤率。 通道掃描是指偵測通道中活動量或雜訊的功能，網路通訊協定可使用這項實體層考量，偵測運作的指定頻帶中是否有任何可能影響節點相互通訊的通道。頻率靈活度是網路針對所有節點變更運作通道的能力，以便在通道受到干擾時，網路仍可繼續正常運作。透過確認機制可提升訊息傳送的效率，當接收節點成功接收封包後，會向原始傳送端發出確認。點對點確認與訊息重試次數能大幅降低封包遺失的機率。點對點確認可強化封包不會遺失的安全性，這對於複雜的傳遞演算法支援的大型多重躍點網路相當重要。 傳訊通訊協定定義網路頻寬占用或畫分的方式。不同的網路通訊協定會定義不同的頻寬畫分方式，一般是根據頻率、空間、時間或代碼進行。頻率畫分如同整個室內的人以不同的音調說話；空間畫分如同整個室內的人朝不同的方向說話；時間畫分如同整個室內的人搶著說話，而某些人搶得先機；代碼畫分如同整個室內的人以不同的音調說出不同的語言。而時間畫分多重存取通訊協定又細分為同步通訊與非同步通訊兩種運作方式。 同步通訊的進行是先協調出節點廣播的週期網路信標，然後將信標間的時間畫分為同等長度的時隙(Time Slot)。一個網路信標與下一個信標發生前的時隙合稱為超級訊框。超級訊框的時隙可以進一步畫分為通訊的活動期與非活動期，如此一來，中央控制器便能在非活動期進入低功耗模式。時隙能夠確保通道感測多重存取(CSMA)--一種發出通訊前先予以接收的演算法的執行。 當多個節點嘗試同時進行通訊時，CSMA演算法會定義調解無線射頻通道使用的通訊協定。最常見的做法是採用CSMA/CA演算法，其中CA是指衝突避免，因為傳輸節點會在感測出通道被佔用時不傳輸訊息。另外也可採用CSMA演算法，例如CSMA/CD(衝突偵測)與CSMA/CR(衝突解決)，但是這些一般不會應用於無線射頻通訊協定中。 安全性可說是網路的主要功能，也是影響無線通訊穩健度的重要關鍵。例如，住家保全網路可能涵蓋車庫門啟動裝置或門鎖開關。這些系統必須安全無虞，以避免遭受竊聽或出現安全性問題等狀況，也才能夠維護隱私。透過安全輸入與加密、訊息完整性與驗證以及安全管理中心等多重措施可達到安全性。使用安全管理中心時，會由網路的單一節點(通常是網路中央控制器)處理所有安全性，而非由分散式機制處理，一旦建立連接，各個連接便會交換對稱金鑰，並且允許行動節點進入網路，而不會從管理節點進行直接驗證。

‧	使用便利性
	使用便利性是根據通訊協定使用性的主觀分析而加以定義。即使是最複雜的軟體系統，許多要素都有助於降低學習時間，例如程式碼可讀性、支援文件、直接工程支援及簡化的應用程式介面(API)。針對特定應用考量時，設計人員或許會認為需要高複雜度的通訊協定，但必須了解多樣化的功能通常需要複雜的軟體操作。IEEE 802.15.4、ZigBee及SimpliciTI之類的低功耗無線通訊協定本身具有完整的通訊協定架構，但須要全了瞭解其架構，才能夠完全運用其中的各項功能。然而這類通訊協定相當龐大，即使是深具經驗的嵌入式開發人員也需要一段相當長的學習過程。因此，權衡通訊協定功能與使用便利性是必須謹守的重要準則。

‧	硬體與無線射頻考量
	在硬體及應用方面，必須考量系統的實際大小、傳送距離、成本預算及耗電量。此外，還須考量應用中須包含的功能，例如，是否需要語音辨識或使用者介面？這些問題的答案不僅有助於選擇要使用的無線通訊協定，也有助於選擇要使用的微控制器功能。表2列出極低功耗通訊協定的設計過程中必須考量的重要硬體選擇準則。 表2　低功耗無線硬體重要選擇準則

這些選擇準皆適用於本文所述的通訊協定，並且能做為評估最終解決方案所適用的硬體時的基本準則。此外，有一些系統層級的問題必須注意，例如硬體的實際大小，因其可能會限制微控制器或無線射頻的選擇。在某些情況下，將微控制器及無線射頻(RF)整合於單一裝置的系統單晶片(SoC)是能夠達到最佳大小與功能的解決方案。在其他狀況下，大小限制表示如類比數位轉換器(ADC)之類的整合式類比功能將會影響微控制器的選取。此外，通訊協定本身的記憶體及微控制器資源需求也會影響硬體的選擇。  

在通訊協定實作的資源需求受限於微控制器應用效能的狀況下，設計人員可以選擇使用專門實作ZigBee堆疊之類的無線應用處理器，而讓微控制器執行客製化應用功能。  

在詳細解說通訊協定之前，可參照表3中以MSP4304618微控制器及CC2420無線射頻為參考的通訊協定數據資料，以概略瞭解實際操作時所需的記憶體大小。

表3　不同無線通訊協定的微控制器記憶體需求
	快閃記憶體/ROM (KB)	RAM (KB)
SimpliciTI	6	1
TIMAC 802.15.4	2	2.3
ZigBee中央控制器(最低/一般)	54/56	4.5/6.6
ZigBee終端裝置(最低/一般)	38/41	3.6/4.4
ZigBee Pro中央控制器	62.6	6.7
ZigBee Pro終端裝置	48	4.8

資料來源：ZigBee Alliance

市場商機誘人　感測網路多元紛陳  

由於消費性電子與無線網路的結合已成大勢所趨，各式無線網路的變化也愈趨多元，包括IEEE 802.15.4、ZigBee及SimpliciTI也都競逐市場商機，在業界各有一席之地。  

IEEE 802.15.4兼具簡便與功能性  

簡單的說，IEEE 802.15.4是由IEEE 802.15 Task Group 4開發的低功耗無線網路標準。此一標準發表於2003年，經過修改而成為目前的2006年版本。最初是為了反應當時與日俱增的電子設計人員對符合低複雜度、低資料傳輸速率及電池供電實作等標準的需求。特別的是，此一標準的開發是鎖定家庭自動化、工業控制、農業及安全市場等區塊的應用。此外，ZigBee及ZigBee Pro等其他通訊協定能夠搭配IEEE 802.15.4成為實體層與資料連接層。  

IEEE 802.15.4也稱為媒體接取控制(MAC)標準，因為這項標準可定義網路中任何兩個同級裝置之間的通訊協定。IEEE 802.15.4個人區域網路(PAN)可加以實作成為完整功能裝置(FFD)或精簡功能裝置(RFD)。雖然因為星型網路中各個PAN只能有一個中央控制器節點，使得FFD節點的使用頻率降低，但FFD節點仍具有中央控制器的功能，並透過主要電源供電，當然FFD也可做為一般節點之用。  

RFD節點則較不複雜，因其本身無法做為網路中央控制器，而只能夠向FFD節點進行通訊，RFD節點僅具有最低程度的應用功能，因此可做為應用感應器或促動器的節點，並可降低晶片成本。此外，RFD節點只需極低的運作負載週期，因此，可透過電池供電滿足其需求。如圖4所示，當FFD中央控制器將新的PAN識別碼指派給其中一個子節點(也必須是FFD)時，可將IEEE 802.15.4網路的星型拓撲加以擴充，因而形成PAN的叢集，其中只有中央控制器節點能夠交換資訊。須要注意的是，此一標準不直接支援傳遞功能。

圖4　IEEE 802.15.4的網路配置

IEEE 802.15.4可定義兩個節點之間的通訊協定，包括網路管理的基礎，因此此標準可成為ZigBee等高層級網路實作的彈性開發依據。  

為了解802.15.4標準何以合乎這些應用層級考量，必須分析通訊協定本身的穩健度、可靠性及整體實作。圖5顯示通訊協定分層結構與前述OSI模型的比較。

圖5　IEEE 802.15.4的OSI網路模型。IEEE包含實體層及資料連接層的規格。

通訊協定的MAC層提供可靠點對點通訊的功能，例如封包訊框管理、節點連接及點對點確認。IEEE 802.15.4網路能夠進行同步或非同步通訊。同步通訊是由十六個時隙的超級訊框加以定義，其中可確實選擇七個時隙，另外也能以CSMA/CA使用全部十六個時隙。  

非同步通訊則純粹透過CSMA/CA進行處理，其中被占用的通道會造成傳輸節點的隨機極長後移，才可再次嘗試傳輸封包。在任何狀況下，都會在傳送節點與接收節點間實作確認機制，以便將可能發生的封包遺失機率降至最低。若傳送端收到NACK，表示接收端未成功接收封包，而逾時型重新傳輸機制及使用者定義的重試次數可提升成功傳遞封包的機率。若要進行非同步通訊，IEEE 802.15.4網路的FFD節點也必須具備儲存後轉送的功能。  

IEEE 802.15.4通訊協定兼具簡易性及功能性，因此能使現有的軟體實作便於使用。一般會另外使用低層級工作排程器，由於通訊協定的可靠性極高，因此工程團隊能夠在最短的時間內完全運用現有的解決方案。而通訊協定的個別記憶體大小、資源需求及通訊協定資源負荷也沒有限制。  

ZigBee挾開放性標準而來  

ZigBee使用IEEE 802.15.4標準進行點對點通訊。此一標準是由ZigBee聯盟(ZigBee Alliance)進行開發與管理。然而此聯盟協會組織所開發的標準較為獨特，進行運用前必須先有所了解，而不宜貿然運用於所有的低功耗無線應用。  

ZigBee網路的實作可採用圖6所示三種拓撲的其中一種。和IEEE 802.15.4相同，ZigBee網路也支援點對點及星型網路。這會在IEEE 802.15.4規格中加入傳遞通訊協定及階層式網路定址機制，以便採用叢集樹狀拓撲(具有相同PAN識別碼)與多重節點網狀網路拓撲。

圖6　ZigBee的網路配置

IEEE 802.15.4 FFD及RFD節點支援這些拓撲，並可在這三種拓撲的任一種中發揮功能。做為ZigBee中央控制器的FFD會啟動網路，並且管理大多數的網路參數，包括網路連線權限及安全輸入，因此屬於傳遞訊息的一部分。做為ZigBee路由器的FFD負責將訊息往返傳遞於其他網路節點之間，而且發揮ZigBee網路的網狀網路功能，並延伸網路的整體範圍。  

ZigBee中央控制器及路由器一般是由主要電源供電，因為這兩者必須能夠隨時收發訊息。若應用的資料傳輸預期會以週期性進行，ZigBee也可運用IEEE 802.15.4同步網路的分時多工存取(TDMA)傳訊通訊協定。做為ZigBee終端裝置的RFD會嘗試將本身的負載週期與資源需求降至最低，以便能夠長時間以電池電量運作。  

如圖7所示，與IEEE 802.15.4相比，ZigBee的無線應用實作可達到OSI網路模型的傳輸層，甚至達到一部分的會議層。

圖7　ZigBee的OSI網路模型

IEEE 802.15.4通訊協定中最顯著的三個增加部分是網狀傳遞演算法、強化安全性實作，以及能夠在目標市場區塊達到有效裝置連接及相容「應用設定檔」等功效的應用層級抽象化。  

網站傳遞演算法使得ZigBee網路成為在網路的終端裝置間傳遞資料的極可靠方法。除了可使用點對點確認以確保在網路成功傳遞封包外，ZigBee也會定義路由搜尋的演算法，以便能在故障的節點附近進行通訊，這就是ZigBee的通訊自我修復功能。  

路由搜尋是最短途徑演算法，能夠於任何路由裝置啟始，並且針對特定目的地執行。此一演算法的計算是根據各個節點持續追蹤的所有鄰近裝置鏈路成本(Link Cost)，鏈路成本為已接收訊號的訊號強度。累計路由所有連接的鏈路成本便會得到路由成本，且網路的各個路由都可計算出路由成本。  

節點會向特定目的地的鄰近節點廣播發出路由要求(RREQ)封包，以要求進行路由搜尋。每當節點收到RREQ，就會將連接成本加入路由成本，然後廣播回傳RREQ。這個過程會持續進行到所有RREQ到達目的地裝置為止，目的地裝置會接著選擇最低路由成本的RREQ封包，然後廣播發出路由回覆。當RREP封包返回來源節點時，所有經過的中間節點會更新路由表，以指出到達目的地的路由。因此，節點便能夠中斷與下一個躍點的連線，並且將路由錯誤(RERR)封包傳送到網路，以便下次有人嘗試傳送訊息時，可進行新的路由搜尋。  

應用層級抽象化應該是ZigBee最具競爭性的功能。各個節點經過抽象化處理後，可維持多達兩百七十個端點或應用。例如，各個端點可表示電燈開關或燈泡(燈泡01、燈泡02等)。各個端點也能夠接收或傳送任何類型的資料。資料的單一描述稱為叢集(Cluster)，這可由一個端點輸出，然後輸入至另一個端點。繼續以燈泡為例，假設名稱為「Light_status_on_off」的電燈開關狀態是這些資料描述叢集的其中之一。各個端點都能夠以其端點識別碼(1～270)及其叢集(端點接收或傳遞的資料類型)清單表示。

圖8　ZigBee的繫結表可用於即時變更控制

在叢集符合的狀況下，端點可進行一對一或一對多的邏輯繫結。在這個範例中，一個電燈開關可以邏輯繫結至支援Light_status_on_off叢集的任一或所有燈泡。這個應用層級繫結可進行一對一或一對多繫結，是ZigBee通訊協定的其中一項強大功能。  

若ZigBee聯盟當時訂定叢集清單，並且訂定端點間叢集的解析方法，則不論用來實作應用的硬體為何，便都能夠指定特定應用標準。不過該聯盟只訂定標準應用設定檔，使不同廠商的應用完全互通，並且讓整個市場在ZigBee低功耗無線網路的目標市場區塊中競爭。  

若設計人員不需要互通性，ZigBee聯盟也能夠讓設計人員針對不對外開放的特定應用設定檔加以定義。這些功能包括群組定址、頻率靈活度、階段作業失敗的自動重新連線，以及最新ZigBee 2007通訊協定(也稱為ZigBee PRO)提供的其他功能。  

專屬標準不落人後  

在2007年由德州儀器(TI)推出的專屬網路通訊協定SimpliciTI，是設計人員可運用的低層級現有通訊協定實作範例，其中已限制開發時間及實作的簡易網路拓撲。雖然專屬網路多不適合現有低功耗無線標準的程度，但仍涵蓋多個應用空間及所有實作方面的複雜度。此處之所以選擇SimpliciTI做為範例通訊協定，是因為其中與IEEE 802.15.4及ZigBee在規模及複雜度等方面的不同，另外也有多項實作可考慮，例如Ant、Blue Robin、MiWi或SunSpot等。SimpliciTI的重要功能包括較少所需記憶體、使用便利性及減低的複雜度。  

SimpliciTI著重於支援點對點拓撲的簡易星型網路，其中最多只參照一個做為網路中央控制器的存取點。如圖9所示，在家庭自動化網路範例中，SimpliciTI網路也定義增距器與終端裝置抽象化，而網路最多可擴充至四倍增距器的深度。

圖9　廠商提供網路的範例

SimpliciTI提供精簡的網路管理功能，包括能夠使終端裝置休眠的儲存後轉送緩衝、網路初始化、基本連接管理，以及網路回音檢查。圖10顯示通訊協定的架構很難直接與OSI模型進行比較，因為其中的實體層、資料連接層及網路層等功能都經過精簡，而且不完全符合完整分層實作的各項需求。

圖10　專屬網路SimpliciT的修改後OSI網路模型

SimpliciTI使用相當類似於TCP/IP通訊協定的通訊埠架構，與提供管理功能的網路層進行通訊，並且維持最低程度的電路板支援套件(BSP)層，與無線射頻及微控制器進行通訊。由於沒有任何正式發表的實體層說明，因此完全沒有頻率、資料速率或調變需求，設計人員便在硬體方面享有極大的自由度。  

必須注意的是，通訊協定中沒有任何定義的傳遞、確認或其他可靠性方法，使用者必須處理應用酬載上限、遺失資料與冗餘資料的訊息。這未必會造成限制，另一方面，由於低功耗應用的資料速率及需求相當低，因此遺失封包不會造成問題。以自動調溫器為例，遺失資料封包不會對應用造成影響。如果通訊可靠性對於應用相當重要，使用者也可以實作能確保應用層級可靠性的通訊協定。使用者可以多次傳送資料、進行點對點確認或使用傳遞計數器，以通知接收裝置是否遺失封包。  

值得一提的是，SimpliciTI的完整原始碼雖可免費提供，不過僅限用於設計出此一通訊協定的德州儀器所推出的產品。  

從上述多種低功耗無線網路的發展可以看出，此類技術能夠大幅提升生活品質及功能性。本文扼要說明基本無線網路架構及網路用語，其中也列舉可用於選擇低功耗無線通訊協定的選擇準則及基本架構，並且探討IEEE 802.15.4、ZigBee與低層級專屬功能集。設計人員應著重在高層級應用考量，然後再看更細微的準則，例如穩健度與可靠性、使用便利性及硬體等。如此一來，設計人員便能選擇適合本身應用的通訊協定，然後在多項產品中加入低功耗無線功能。  

(本文作者任職於德州儀器)