Zigbee興起使PAN暗潮洶湧

2004-02-25
ZigBee雖與Bluetooth同為PAN領域的通訊技術,但顯然二者在初期設定上有所區隔。ZigBee Alliance對ZigBee的主要期許在於,以低價切入產業自動化控制、能源監控、機電控制、照明系統管控、家庭安全和RF遙控等領域。
ZigBee雖與Bluetooth同為PAN領域的通訊技術,但顯然二者在初期設定上有所區隔。ZigBee Alliance對ZigBee的主要期許在於,以低價切入產業自動化控制、能源監控、機電控制、照明系統管控、家庭安全和RF遙控等領域。由於未來 ZigBee模組是整合度更高的單晶片,因此ZigBee生產成本下降至距離1美元的晶片目標價,以及2美元的模組目標價,在時程上應較 Bluetooth追求商業化時點的流程縮短至少一倍以上。而ZigBee Alliance即據此樂觀地預計ZigBee產品的市場到2007年將增至13億美元,這個規模已幾乎與Bluetooth在2005年的水準平起平坐,成長可謂十分快速。同時以Zigbee的功能特性來說,台灣業者於此應有較為順遂的產業展望。  

Bluetooth好不容易在價格快速下降,以及市場逐漸賦予其應有地位下,在最近有了較為樂觀的發展,不過另一個可能讓Bluetooth坐立難安的技術又正逐漸興起:ZigBee。它與Bluetooth一樣是短距離、低功率的無線通訊技術,ZigBee的技術標準由ZigBee Alliance與IEEE 802.15工作小組負責制訂,未來將被稱為IEEE 802.15.4。  

ZigBee採直序展頻(Direct Sequence Spread Spectrum, DSSS)技術,使一個位元的訊號,利用較高碼率的展頻序列,在發射端將訊號擴展為較寬的頻譜,使得原來高功率、佔較窄頻譜的訊號,變成低功率、寬頻譜的訊號,以使訊號在無線傳輸中保持完整,並且確保同時在不同頻段傳輸的訊息不會互相干擾。而在接收端則用相同的展頻碼序列進行解擴,把展開的展頻信號還原成原來的信號,以完成接收工作。  

ZigBee之所以被視為Bluetooth的新生威脅,主要在於兩者在功能條件設定上有許多雷同點,而ZigBee甚至更是去蕪存菁。以所使用的頻段來說,ZigBee預計可使用的頻段有3個,分別是2.4GHz頻段、歐洲的868MHz頻段,以及美國的915MHz頻段,不過在應用測試上,短期還是會以2.4GHz的ISM免費頻段為主。而以傳輸速率來說,ZigBee在這三種頻段上則分別具有最高250Kbps、20Kbps和40Kbps的傳輸速率。同時,未來一台具ZigBee的設備最多可連接254台同樣是具ZigBee功能的設備,這對ZigBee在未來Bluetooth所專擅的WPAN (無線個人網路)應用中做好事先的鋪路。  

此外,ZigBee在規格設計要求上,傾向於低耗電、低成本及容易開發等特點,而較不注重傳輸速率,這與Bluetooth幾乎是不謀而合的。 ZigBee與Bluetooth在面臨耗電、傳輸距離與速率三者間的取捨時,基本上是通訊技術皆必須面對的課題。例如若將Bluetooth的電波輸出功率提昇至100mW,則傳輸距離可增至100公尺。也因此,不論是ZigBee或Bluetooth,欲使傳輸距離或速率進一步提昇,則電波輸出功率勢必須增加。反之若優先維持低耗電狀態,則傳輸距離或速率則必須有所割捨。  

換言之,表1中所示Bluetooth與ZigBee之比較若欲進一步分出優劣,實必須在相同的衡量基礎下進行。例如當同樣維持在1mW的電波輸出功率下,Bluetooth的傳輸距離可能僅有10公分至2公尺之遙,將遜於ZigBee的10公尺,但在傳輸速率上則有ZigBee十倍以上的優勢。  

至於Bluetooth與ZigBee若同在2.4GHz頻段運作時的干擾問題,解決方式為若ZigBee裝置發送訊號時,因Bluetooth干擾 ZigBee裝置造成資料遺失,造成ZigBee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聯盟聲勢浩大  

與Bluetooth SIG成立時的盛況一般,ZigBee Alliance亦是如此,在總計超過50個成員中,包括IC設計製造商、家電廠商、通訊設備商、IP服務提供商、玩具商、OEM廠商等一應俱全,包括 Philips、Motorola、Intel、Atmel、RFMD、Honeywell、Samsung、Invensys、Mitsubishi、Oki等耳熟能詳的大廠皆於2002與2003上半年相繼加入。而成員的主導性與周全性,正是一個通訊技術能否成為主流標準的重要前提,尤其 Philips對其更是不遺餘力,預計近日內示範性產品即可問世。  

檢視ZigBee Alliance的成員組成,雖以消費性電子與通訊廠商為首,不過成員與Bluetooth的重疊並不罕見,因此ZigBee雖與Bluetooth同為 PAN領域的通訊技術,但顯然二者在初期設定上應有所區隔。以2003年5月獲得正式批准IEEE 802.15.4 ZigBee標準內容來看,ZigBee Alliance對ZigBee的主要期許在於,包括全套軟硬體需以5美元以下的價格切入產業自動化控制、能源監控、機電控制、照明系統管控、家庭安全和 RF遙控等領域。  

而為了達到這些目標,基本上資料傳輸限於250Kbps應已足夠,同時傳輸距離訂為10到75公尺,如此功能規格將可提供比Bluetooth更長的電池使用壽命。  

而其中低耗電更是ZigBee的特長,ZigBee整體低功耗的表現優異,除了在傳輸速率上的妥協外,主要來自ZigBee模組在未使用的情況下,將被定義為低功耗的休眠狀態,也因此若以具ZigBee技術規格的影音遙控器來說,僅靠2顆普通的5號電池就能持續支撐其工作2年以上的時間。以上述特性來看, ZigBee可視作一種介於無線標記技術和Bluetooth之間的技術。  

ZigBee主攻市場與Bluetooth有所差異  

即便如此,仔細瞭解ZigBee所設定的目標應用領域中,有些仍是與Bluetooth重疊。特別在HID(Human Interface Devices)應用中,幾乎頗具爭取Bluetooth市場之姿,除如鍵盤、滑鼠、印表機、影音遙控器(TV、VCR、CD、VCD、DVD等遙控裝置)、遊戲機搖桿等等典型低耗電的單向傳訊應用外,其他各式各樣電腦及其週邊、安全監視、家庭自動化(照明、煤氣計量控制及報警等),或互動式玩具與娛樂設備等等,若以低成本、低耗電、設計簡易性等為考量,針對不需高速傳遞資訊與反應能力的應用領域,顯然ZigBee有其相當可觀的市場機會。這使得 Bluetooth眼睜睜地看著高階市場被802.11 WLAN所侵佔,如今低階市場又可能被ZigBee所吞噬的窘境。  

不過以ZigBee現在的技術定位來看,它在「控制」上的角色看來會多於在「通訊」上的角色。也就是說ZigBee可能會側重在PC周邊如鍵盤與滑鼠、家電控制、遊戲與娛樂控制設備、燈光與安全監控等。而這個部分事實上是Bluetooth一直因為成本因素遲遲無法拓展的市場,2002年 Bluetooth在手機與免持聽筒市場約佔其總出貨的80%強,無線滑鼠、無線鍵盤、車用遙控、TV控制仍是以紅外線、短距無線電傳輸技術為主。  

也就是說ZigBee與現在類似應用領域的技術如紅外線、800MHz的短距無線電傳輸技術,似乎有較直接的衝突,至於原先訴求短距離可進行大量語音及數據傳輸的Bluetooth,在短期內正面照會的機會仍低。而長期來看,一則除非Bluetooth逐漸失其本意,朝向控制介面求生存,二則ZigBee 在技術規格上獲得突破,使得兩者在應用端上的分野趨於模糊,否則二者的市場衝突性短期之內並不顯著,未來廠商有機會同時應用這兩種技術在產品開發及應用中。  

ZigBee普及時間點是關鍵因素  

由於ZigBee的另一訴求點為低價,因此生產成本的快速下降與否是終端市場接受程度的重要指標,而單晶片的解決方案自是重要的里程碑。回顧 Bluetooth追求成本降低與體積微縮的過程,把RF、BB和記憶體整合在一起,使用CMOS製程的單晶片方案難度頗高。不過即使部份業者以多晶粒模組(MCM)的封裝方式,來折衝性能與成本間的取捨,但積極克服因光罩層數增加所衍生的良率與成本問題,仍是Bluetooth能否在2004年後,跨出以手機周邊應用為主的型態之重要因素。而同樣情形在面對規格較為寬鬆的ZigBee時,單晶片的可行性在經歷Bluetooth的經驗後大幅提高,尤其以 ZigBee較低性能的要求,設計上的複雜性不若Bluetooth,RF端性能降低與成本考量的矛盾較不顯著,採CMOS製程的單晶片方案將快速成為主流。  

也由於未來ZigBee模組是整合度更高的單晶片,因此ZigBee生產成本下降至距離1美元的晶片目標價,以及2美元的模組目標價,在時程上應較 Bluetooth追求商業化時點的流程縮短至少一倍以上。所以在Philips、Motorola已陸續推出產品下,以低成本目標來說,2003年底 ZigBee的晶片批量價格在應用於主機端的晶片成本有機會降至約2.5美元,其他終端產品的成本則僅1.5美元,這個價格水準已不到Bluetooth 的一半。而ZigBee Alliance即據此樂觀預計ZigBee產品的市場到2007年將增至13億美元,這個規模已幾乎與Bluetooth在2005年的水準平起平坐,成長可謂十分快速。  

當然,ZigBee Alliance的如意算盤能否如願撥響,ZigBee目標價格達成時點是關鍵因素,因為Bluetooth已在2003年因出貨量的提昇而使價格下滑幅度加速,預計2004年下半年已有廠商可以在犧牲毛利率的情形下,推出近似ZigBee目標價的報價,而Bluetooth更享有先進入市場,使互通選擇較多的優勢,是故2004年初是ZigBee能否乘風而起的重要觀察時點。  

ZigBee十分適合台灣業者投入  

ZigBee由於其成本重要性高於性能要求的特性,加上其以設備中之附加功能的型式存在,可預見的低毛利將使得ZigBee十分適合台灣業者投入。此外,較簡單的設計、採CMOS製程為主,以及ZigBee側重在資訊、消費性電子周邊的定位,尤其是短距離通訊鮮少牽涉電信端規格,都反映出與台灣業者既有專擅領域吻合,而國外廠商已提供完整的ZigBee IP解決方案,讓IC設計公司加速上市推出時程,亦扮演推波助瀾的效果。  

事實上台灣已有多家IC設計公司,如聯陽半導體、達盛電子已經投入ZigBee晶片的研發,而原先投入Bluetooth的IC設計商也在評估轉進效益,並分別由擅長的RF或BB端切入。由於ZigBee不若Bluetooth在發展初期偏重手機方面的應用,造成台灣業者於Bluetooth發展的阻礙較大,相較而言台灣業者於ZigBee應有較為順遂

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