傳輸距離/安全/彈性兼具　Wi-SUN智慧應用生機蓬勃

根據IoT Analytics Research的預估，聯網智慧路燈將持續成長，在2023年聯網路燈數量將成長至4,100萬盞；同時，該報告中進一步指出截至2017年年底的統計，全世界布建智慧路燈最多的城市，第一名是美國的邁阿密，總共部署了50萬盞智慧路燈(表1)。

數量如此多的智慧路燈是使用何種無線傳輸方式串接以讓後台可以即時掌控每一盞路燈的狀況呢？答案是Wi-SUN聯盟所推廣的Wi-SUN FAN認證技術。

Wi-SUN聯盟成立於2012年，是一個由業界公司組成的全球非營利性組織，全球會員250家以上，包括思科(Cisco)、安謀(Arm)、Itron(全球自動讀表廠商)、東京電力公司，以及台灣的濎通科技等。Wi-SUN聯盟的使命是利用開放式全球標準IEEE 802.15.4g(智慧公用網路的無線標準規範)，致力推動智慧電網以及智慧城市應用的發展性。

Wi-SUN聯盟的發展願景乃是基於網狀網路通訊協定IEEE 802.15.4g技術規範，透過測試和認證計畫提供強大的產品連線性，發展Wi-SUN生態系統，實現智慧城市和智慧公用通訊網路的互通性。

Wi-SUN傳輸技術的特性在於具備遠端傳輸、安全性、可擴展性高、可互通、容易布建、Mesh網狀網路，加上耗電量低的特性(Wi-SUN模組的電池壽命有機會可以使用十年之久)，被廣泛應用在智慧電表及家庭智慧能源管理(HEMS)控制器等通訊裝置，亦有利於打造廣域大規模物聯網(圖1)。

2018年10月，Wi-SUN聯盟宣布推出戶外區域網路Wi-SUN Field Area Network(FAN)認證計畫，認證通訊產品的互通性，計畫所認證的設備可被用於智慧城市、智慧公用事業和其他物聯網項目的廣域大規模戶外網路(圖2)。Wi-SUN FAN的應用主要鎖定大型場域中的設施，如智慧電網、智慧路燈等，讓公共設施連線到相同場域網路並實現互通性。Wi-SUN FAN認證計畫由Wi-SUN聯盟主導，為大規模的戶外網路提供通訊基礎設施，可實現穩定、高性能且低功耗的長距離網路。

低功耗廣域網路(Low Power Wide Area Network, LPWAN)是為了因應物聯網遠距離通訊需求而產生的技術，具有高覆蓋、低功耗和廣域連接等特性，其中Wi-SUN、LoRa、NB-IoT是近年來比較常被提到的LPWAN技術。本文將針對這三種技術的特性逐一比較。

自動組網/自癒修復功能促穩定及彈性兼具

根據中國科學院上海微系統與資訊技術研究所博士周明拓的發表，自無線傳輸技術的角度，於「LPWAN低功耗廣域網路技術比較：Wi-SUN、LoRaWAN、NB-IoT」演講中整理了一個此三種技術的比較表。

由表2中可以發現Wi-SUN技術與LoRaWAN與NB-IoT之主要不同在於其為Mesh網狀網路，另外兩者的網路都屬於Star星型網路。Mesh網狀網路的優勢在於傳輸的總距離較長、每個節點的功率較低，以多路徑實現更穩定的通訊品質。Wi-SUN採用Mesh組網方式，最大可跳23級，提升了網路的覆蓋距離與範圍，如果以單跳距離在空曠區域1公里以上的通訊距離來算，整個網路覆蓋範圍可達20公里。

Wi-SUN甚至具優異的抗干擾能力，因為其具有主動亂數跳頻(Channel Hopping)機制，對於環境中的各種雜訊干擾提供良好的閃避機制，同時也讓頻道的使用更有效率。

基於此，Wi-SUN的Mesh網狀網路具備自動組網(Self-organizing Network)與自癒修復(Self Healing)功能，應用在實際的安裝環境中。自動組網能讓每個設備都與其「鄰居」連接和合作，隨著更多設備添加，網狀網路變得更強大和更有彈性；添加新設備時，會自動尋找其鄰居，以找到更多可靠連接。而自癒修復功能則發揮在停電中斷，端點將自動找到替代路徑；網路如發生變化(如新增建築物)，網路會自動回應等。

Wi-SUN技術三優點護資安

物聯網時代存在著每個聯網設備都是資安洩漏節點的問題，而Wi-SUN技術的第二個優勢即是提供企業級資安防護。在物聯網中採用IP技術需要大量的IP位址資源，歐洲網路協調中心(RIPE NCC)在2019年11月26日發布訊息公告，表示IPv4全球所有43億個地址已全部分配完畢；同時，Internet Protocol version 6(IPv6)是取而代之的下一代網際網路協定。IPv6能夠提供足夠的位址資源，滿足點到點的通訊和管理需求，同時提供位址自動配置功能和移動性管理機制，同時可識別網路上的設備，方便網路管理者隨時找到它們，便於部署節點。

Wi-SUN FAN特性是支援IPv6協定，能實現基於IP的設備身分驗證與加密通訊，且每個節點都儲存一個受信任的加密數位憑證，用以證明節點確實被授權與網路上的其他設備通訊，嚴格的檢驗流程可確保網路不被駭客蓄意安插節點，或者設備免於被人為篡改或安裝惡意軟體，有效提升網路安全性。 Wi-SUN FAN擁有完整的協定堆疊(圖3)，它運用IEEE 802.15.4的強大Advanced Encryption Standard(AES)連結層安全功能提供封包加密，並且運用IETF EAP-TLS執行入網認證，以及IEEE 802.11i進行密鑰管理，這意謂著Wi-SUN FAN網狀網路的每個節點不僅有訊息加密和真實性檢查，而且在入網前還需進行身分驗證。

Wi-SUN聯盟提出網狀網路拓撲(Mesh Topology)、開放標準(Open Standard)與認證(Certification)，是資安解決方案的三個重要因素。 由於Wi-SUN網狀網路(Mesh Network)中能保持節點之間的持續連接，因而可以減緩斷電或安全性漏洞對於網路部署之危害；而開放標準的產生是經由許多專家精心設計和審查，專家們透過不斷分析漏洞，並在必要時進行更新，有助於即時提高其安全性；反之，僅由一家公司創建的私有協定就無法汲取眾多專家們的專業與經驗。

由於Wi-SUN FAN是基於IEEE 802.15.4g、IEEE 802和IETF IPv6開放標準的認證，這使得通過認證的產品，都必須經過獨立協力廠商測試實驗室的嚴格測試，以確保所有設備可以互聯互通並安全地協同工作。

長距離傳輸

Wi-SUN的物理層單跳傳輸距離，根據Friis Equation理論的估算，在傳送端天線距地10公尺的情況下可傳輸至10公里(50kbs)；如濎通科技便在空曠海岸線，以其Wi-SUN解決方案，在傳送端天線距地3公尺、接收端天線距地2公尺，傳收距離1.55公里實際測試的情況下通訊穩定，Link Budget尚餘12dB，且可拉至更遠距離。

可擴展性－－相容數百萬台設備

Wi-SUN的網狀網路可以在容量(Capacity)和數量(Size)上進行擴展，其較高的頻寬使其更容易在未來添加更多的高流量傳輸需求的產品。Wi-SUN FAN 相容網路中數百萬個設備，隨著節點的增加，可靠性亦隨之提升。

LoRaWAN在初始網路布建時進行擴展可能需要增加新的閘道，或者在一開始就過度配置網路設備因而付出過多潛在成本。此外，在人口密集城市環境中，眾多LoRaWAN周邊設備將互相干擾。

相較之下，電信營運商推廣時程是採用NB-IoT的最大限制因素。客戶必須等待網域覆蓋完成，且參照先前3G和4G的經驗，推廣時程可能會很緩慢且網域覆蓋範圍不完整。

OTA遠程升級

Wi-SUN FAN由於傳輸速率高，可支援Over the Air(OTA)遠端軟體、韌體升級，減少現場維護工作；亦可遠程診斷和預測性維護，降低營運成本。

相較之下，LoRa則無法進行OTA遠端韌體更新。

智慧路燈之無線傳輸方式比較

Wi-SUN、LoRa、NB-IoT這三種LPWAN技術具有高覆蓋、低功耗和廣域連接等特性，接下來本文針對這三種無線傳輸技術在智慧路燈之應用製作一個綜合彙整的比較表(表3)。

從比較表中可以發現，只有Wi-SUN是屬於Mesh網狀組網方式，而LoRa和NB-IoT都屬於星型單跳網路，這兩者拓撲方式的差異反映在組網上就是，Wi-SUN的網路具有自動組網與自癒修復能力，當新添加路燈時，該盞路燈的節點會自動尋找鄰近的可靠節點連接，加入網狀網路中；而當其中一盞路燈故障時，或是原有網路產生遮蔽物，如新增加建築物時，節點會自動找到備用路徑，並重新連上網狀網路。相較之下，屬於星型網路的LoRa和NB-IoT就不具備自動組網和自癒修復的功能。

此外，Wi-SUN由於具備主動亂數跳頻功能而有較強的抗干擾能力；同時，在前面的篇幅中，可以得知Wi-SUN具備相對優異的資安防護能力，以及能支援IPv6，實現聯網互通與雙向通訊。

在營運維護部分，NB-IoT由於使用授權頻段，每年皆須繳交一筆為數不少的資料傳輸費用給電信營運商，而LoRaWAN同樣也有可能需要繳費給其營運商。

在布建智慧路燈時，可擴展性也是一重大考量因素，只有Wi-SUN因為推出基於公開標準IEEE 802.15.4g、IETF IPv6協定的Wi-SUN FAN認證機制，使得所有經過Wi-SUN FAN認證的產品皆能進行聯網互通、擴展網路規模。

Wi-SUN智慧路燈應用減少能源消耗

美國邁阿密是目前世界第一大智慧路燈城市，布建包含50萬盞路燈控制器與智慧電網中的500萬個智慧電表和智慧電網組件。邁阿密市氣候行動計畫MiPlan則指出，該市議會致力於在2020年之前將二氧化碳排放量減少25%(與2006年的水準相比)。因此，將傳統路燈轉換為LED智慧路燈是使城市管理機構減少能源消耗的策略之一，因而減少了其管轄範圍內的二氧化碳排放。此計畫之執行由Wi-SUN聯盟會員Itron和公用事業公司Florida Power＆Light共同進行，將近500,000盞智慧路燈使用Wi-SUN FAN支援的IEEE 802.15.4g無線網狀結構。

此外，Itron在法國巴黎改裝了基於IPv6的LED路燈，總計有20萬盞智慧路燈與1,800個紅綠燈號誌。聯網的智慧路燈利用Wi-SUN聯盟支援的IEEE 802.15.4g無線網狀結構，透過網路即服務(NaaS)部署來連接路燈設備和應用程式，而智慧路燈為巴黎的路燈每年節省了70%的能源消耗(圖4)。

Wi-SUN無線傳輸前景可期

物聯網、智慧電網通訊晶片設計公司致力擴展其Wi-SUN FAN網路規模、可靠性和可擴展性，以滿足智慧電網和物聯網市場的需求，如濎通科技便為一例。

濎通科技為第一家Wi-SUN系統單晶片和網路軟體設計公司，同時也是擁有Wi-SUN FAN產品出貨所需的三種認證資格的公司，包括FAN PHY、FAN Router、FAN Border Router，能實現長距離傳輸與千點自動組網，且能與其他Wi-SUN FAN認證設備聯網互通，協助客戶的通訊模組、智慧閘道與終端產品快速取得Wi-SUN FAN認證，並導入市場。

像濎通科技辦公區域已部署了超過1,000個節點的網狀網路，並展示較短的組網時間、自適應能力、穩健的數據收集和可靠的遠程韌體升級，協助客戶以Wi-SUN通訊方案來開發智慧電網與物聯網相關產品。而該公司研發團隊經過多年的研發累積與反覆運算，已掌握Wi-SUN技術特點，提供高性能、低功耗的無線收發器及MCU，產品具有良好靈敏度、選擇性、相鄰通道抑制，抗阻斷，符合802.15.4g標準，且產品已通過Wi-SUN聯盟認證。

以該公司的Wi-SUN產品線VC7300系列為例，主要技術突破在於可長距離傳輸，同時具備嚴密的資訊安全防護機制，訊息絕不外洩。此外，該系列消耗功率低，睡眠模式下功率消耗小於2.5uA，併入物聯網設計中，電池壽命可長達10年。

VC7300已獲得Wi-SUN FAN認證，能夠支援Wi-SUN FAN 1.0規範，並能與其他Wi-SUN FAN認證設備實現連接和交互操作，應用領域包括計量表、路燈、智慧城市、公用事業和物聯網網路中的感測器等。

該系列的主要特性和優點包含：

・遠程和長距離

單跳端到端視線傳輸距離大於10km(數據速率50kbps);多跳網路傳輸距離大於數十km(最高數據速率可達300kbps)。

・可擴展性

IPv6/6LowPAN增強了感測器網路的可擴展性和移動性。

・安全性

從雲端到終端的5級軍事級安全機制。

・遠程韌體升級

雙向通訊。

・自組網/自修復網路

網狀網路超過1,000個節點並具有自適應拓撲結構。

・干擾容差

通道跳頻，良好的選擇性，對抗敏感干擾具有高度抗性。

・載波偏移容差

在大載波頻率飄移時性能較穩定。

・認證和互通性

Wi-SUN FAN。

・低延遲/快速響應

Sub-GHz RF的延遲小於20ms。

・省電模式

睡眠模式下功耗小於2.5uA(VC7300A)，在物聯網設計中電池壽命長達10年。

(本文作者為濎通科技總經理)