高速/短距無線技術就位　物聯網創新應用亮麗登場

物聯網創新應用將邁入爆發成長期。各種高速、短距無線網路設計日臻成熟，且相關標準正持續朝更高傳輸效率、低功耗及滿足多使用者的方向演化，已成為物聯網創新應用的溫床，包括健身/醫療穿戴式電子、智慧家庭照明控制、工業自動化(Industrial Automation)、智慧交通系統(ITS)、電動機車車電分離商務模式，以及基於燈具通訊概念建構的智慧城市網路和巨量資料(Big Data)分析平台等，皆已跳脫紙上談兵階段，逐步導入商用。

建構無所不在的物聯網燈具通訊躍居明日之星

台北科技大學物聯網技術研發中心主任黃榮堂(圖1)表示，資訊傳遞由過去人與人的通訊，逐漸演化為物對人乃至物物相連(M2M)的通訊，其關鍵影響力在於無線科技與感測技術的整合，透過無線感測方案，可幫助任何電子裝置進行資訊交換、管理與控制，進而實現智慧化識別、定位、追蹤和監控等應用，這就是物聯網即將帶來的改變。

圖1　台北科技大學物聯網技術研發中心主任黃榮堂提到，產學聯盟將有助加速推動燈具通訊技術。

為實現無所不在的物聯網路，解決方案供應商必須從技術、成本和消費者接受度等多個層面著手。對此，北科大物聯網技術研發中心即提出以燈具做為通訊載具的新模式，可搭上發光二極體(LED)燈換裝潮，在燈具中導入藍牙(Bluetooth)、無線區域網路(Wi-Fi)等通訊模組、控制元件及各種環境感測方案，利用既有路燈、家用、商業或工業照明設備就能建置無線感測網路節點(WSN)，將大幅減輕物聯網布建的負擔。

黃榮堂指出，物聯網效益明確，但若投資成本不敷回收，勢將大大影響廠商投入意願，因而刺激業界思考在既有環境下，以最少的設備採購和安裝維護成本達成物聯網的新路徑。由於有人活動的地方勢必有燈具存在，因此與業界須廣設物聯網節點，又能快速拓展服務的概念不謀而合，目前北科大亦率先發起一個物聯網技術聯盟--Petacom Alliance，並跨國申請多項有關燈具通訊網路架構、通訊協定和應用模式的專利，已與鴻海、研華、緯創和華新科技等廠商展開合作。

圖2　燈具通訊於智慧家庭應用概念圖

黃榮堂強調，以藍牙和Wi-Fi為基礎的燈具通訊節點，可再結合IP網狀網路(IP-based Mesh Network)拓撲，實現路由(Routing)功能，從而延伸家庭、工業或整個城市的網路訊號覆蓋率(圖2)，預期將成為物聯網業界的明日之星。 值得注意的是，業界開始將物聯網概念發揚光大，已提出電動機車車電分離的新興商業模式。

延伸物聯網概念　車電分離商務模式吸睛

圖3　資策會智通所技術商務協理李長脩認為，物聯網還有許多創新應用等待發掘。

資策會智通所技術商務協理李長脩(圖3)表示，電動機車整車售價偏高係阻礙其大量普及的主因，而其中的電池成本占比超過一半，因此車廠遂想出將電動機車與鋰電池，分拆成直接銷售及租賃的模式，以減輕用戶購買壓力，進而刺激消費意願。

李長脩進一步指出，車電分離係基於物聯網概念，運用無線射頻識別(RFID)、感測器、通訊和資料分析平台，優化電動機車或未來的電動車使用狀態監控、電池換裝和充電需求管理(圖4)，進而達到車與電池分開銷售的目的，以降低用戶購置門檻，同時創造鋰電池租賃新商機。

據悉，資策會智通所與高達能源、歐多賣電能已展開車電分離試營運的合作，由智通所提供包括電池診斷、車輛即時監控管理和充電站排程功能的營運管理服務平台，協助兩家廠商逐步落實車電分離模式。

圖4　車電分離營運管理平台架構圖

事實上，電動車大廠特斯拉(Tesla)目前僅以定期檢修、更換鋰電池的方式，確保電動車使用安全，但尚未透過即時監測和聯網技術達成較佳的電池管理，因此，李長脩認為，電動機車車電分離將可做為業界的應用標竿，促進整個電動車產業蓬勃發展。

除上述新應用和商務模式外，業界仍持續探索物聯網在高速及廣域傳輸方面的可能性，因而也積極投入發展長程演進計畫(LTE)標準解決方案，以拓展物聯網應用版圖。

LTE新規格添力　物聯網應用版圖持續壯大

圖5　u-blox商務開發經理蔡金源指出，LTE R12版新標準將刺激新一波M2M模組研發需求。

u-blox商務開發經理蔡金源(圖5)表示，LTE基於高速、低延遲，以及全IP網路架構易於管理的特色，不僅已在行動裝置領域大展拳腳，更可望在未來的高速影音串流、車聯網和雲端接取(Cloud Access)等物聯網應用中扮演關鍵角色。

事實上，3GPP針對物聯網、M2M應用，亦不斷更新LTE功能與設計規範，並已計畫在今年底發布最新Release 12版本標準，將增加LTE機器類型通訊(Machine Type Communication, MTC)規格，實現更低功耗且低成本的網路。

蔡金源指出，各國正積極推行2G頻譜回收政策，預料將轉作4G用途以因應行動資料量激增的問題，此舉將為LTE產業帶來福音，相關晶片、模組和系統業者可直接開發單模LTE-only產品，進而縮減目前須仍兼容2G和3G方案的設計成本，加速朝向可支援大量M2M通訊布建的LTE MTC邁進。

圖6　SON網路設計概念圖

蔡金源透露，看好LTE-only和LTE MTC的應用潛力，u-blox正緊鑼密鼓投入研發新型4G晶片及模組方案，預計在未來1～2年逐步揭櫫開發成果，促進物聯網設備以更低的成本快速普及。

圖7　阿爾卡特朗訊無線網路客戶技術方案經理石明宗表示，由於各界積極投入，5G技術發展於2020年成形的目標可望達陣。

另一方面，3GPP利用LTE全IP網路架構的特性，進一步研擬出自組織網路(Self-organizing Network, SON)解決方案(圖6)。蔡金源強調，LTE SON將能協助電信商簡化新增基地台的連線設計，以實現更精簡的網路，提升管理及營運效益。

阿爾卡特朗訊(Alcatel-Lucent)無線網路客戶技術方案經理石明宗(圖7)則指出，考量LTE網路商用規模日益擴大，3GPP在LTE R12版本中還增加許多有利於電信商管理和擴增應用的方案(圖8)。

舉例來說，LTE小型基地台(Small Cell)和增強型蜂巢式區域間干擾協調(enhanced Inter-cell Interference Coordination, eICIC)便可透過大型和小型基地台融合組網的方式，增進網路容量，同時降低布建成本。

至於Public Safety則將LTE低延遲的特性發揮到極致，不僅可幫助電信商建置即時資訊緊急回報網路，應用於事故救援等方面，亦可發展群組廣播、裝置對裝置(D2D)等新興應用，大幅提升網路價值。

圖8　LTE標準演進過程暨重要規格整理

下一階段的LTE R13版，以及更前瞻的5G標準，各國標準組織和通訊實驗室皆正馬不停蹄展開技術布局。石明宗指出，就3GPP定義來看，LTE R14版本之後就進入Beyond 4G及5G世代，因此LTE R13版本被視為銜接LTE-Advanced與5G標準的橋梁，3GPP在規畫上也大舉引進5G可能採用的方案，以幫助電信商、設備業者和晶片商技術平滑演進。其中，LTE免授權頻段(LTE-Unlicensed, LTE-U)即為重要的一環。

石明宗強調，LTE-U基於5.8GHz頻段，提供120MHz可用頻寬，對於目前4G國際通用頻段吃緊的局面，將有一定的紓解效果；同時，LTE-U亦可利用小型基地台技術，與同樣在5GHz頻段收發訊號的Wi-Fi 802.11ac裝置共組網路，有助提升家用網路效率及減輕骨幹網路負擔。

不只LTE頻頻導入新規格，因應日漸複雜的物聯網設計，Wi-Fi 802.11ac也演進至Wave 2版本，增加許多功能。

晶片/系統設計到位　11ac Wave 2明年登場

圖9　Aruba Networks台灣區技術總監王傑鋒認為，802.11ac裝置將在明年大量出爐。

Aruba Networks台灣區技術總監王傑鋒(圖9)表示，從無線傳輸的原理來看，傳輸速度愈快，代表不同封包在傳送過程中互相碰撞的機會愈少，因此Wi-Fi從802.11a/b/g/n一路演進至目前最新的802.11ac，都是為了提高速率，以改善無線連結品質。

事實上，802.11n採用2.4GHz頻率，該頻段非常擁擠，只能挪出三個20MHz頻寬的頻段可供Wi-Fi使用；加上Wi-Fi為半雙工運作，多個使用者的資料傳輸要求必須排程處理，往往導致距離網路接取裝置(Access Point)較遠、傳輸效率不佳的用戶占用頻寬，影響整體服務品質(QoS)。這些因素皆刺激晶片商和系統業者加速往5GHz頻率、可達到80MHz頻寬(圖10)的802.11ac邁進。

圖10　5GHz頻段可用頻寬整理

王傑鋒強調，因應快速激增的網路頻寬需求，802.11ac更已發展出Wave 2版本，擴充頻寬支援至160MHz，並加入多用戶多重輸入多重輸出(MU-MIMO)功能，以滿足大量使用者同時連上Wi-Fi網路，造成嚴重壅塞的問題。

近期高通創銳訊(Qualcomm Atheros)和博通(Broadcom)兩家晶片大廠，已陸續發布802.11ac Wave 2解決方案，並將於年底啟動量產，有助網通設備業者在2015年大舉推出新一代Wi-Fi產品，更進一步滿足智慧家庭高速聯網，以及公共場所多人連線的設計需求。

王傑鋒指出，Aruba Networks已可提供802.11ac Wave 1的產品，並可望在明年上半年率先推出支援802.11ac Wave 2的網路接取設備，搶占市場先機。

結合IPv6協定　藍牙邁向網狀網路架構

11　Nordic Semiconductor策略行銷經理John Leonard強調，藍牙將成為物聯網不可或缺的無線連結方案。

對物聯網而言，除了高速網路以外，短距、低功耗無線連結方案更是不可或缺，因而也激勵晶片商和系統業者相繼投入發展，並特別鎖定藍牙低功耗(Bluetooth Low Energy)標準，以及下一代可結合IPv6通訊協定的藍牙4.1方案，以促進行動裝置、穿戴式電子和各種家庭自動化設備無縫連結。

Nordic Semiconductor策略行銷經理John Leonard(圖11)表示，物聯網市場規模將達到所有行動裝置出貨量相加的兩倍以上，而每一個聯網節點皆須內建易用且省電的無線連結方案，因而帶動藍牙低功耗設計需求水漲船高。

為搶攻市場商機，Nordic近期已推出藍牙低功耗/ANT雙模系統單晶片(SoC)，有助系統廠加速開發支援藍牙Smart的智慧配件。Nordic Semiconductor資深現場應用工程師蘇錦強(圖12)補充，該款SoC整合2.4GHz多協定無線電、32位元Cortex-M0微控制器(MCU)，並在協定堆疊和使用者應用程式之間設置獨特的分隔區(Separation)，為應用開發人員提供最大的靈活性、開發簡易性和代碼安全性。

圖12　Nordic Semiconductor資深現場應用工程師蘇錦強指出，該公司係率先投入藍牙4.1結合IPv6技術的晶片商，可望搶占先機。

此外，網路營運商和應用服務商非常注重物聯網的延展性和靈活度，因此，Leonard指出，藍牙技術聯盟及相關晶片業者正積極研發新一代藍牙4.1技術，透過IPv6通訊協定(圖13)，可輕鬆超越既有星狀網路的連線裝置數量，以及傳輸距離的限制，迎合更豐富的物聯網設計需求。

Leonard透露，該公司亦計畫在年底發布IP網狀網路軟體開發套件(SDK)，提供業界更完整的藍牙Smart軟硬體開發平台。

除了各種網路標準革新外，感測器技術突破亦有助推進物聯網發展時程，因此微機電系統(MEMS)開發商也紛紛加碼投資，研發更小尺寸、高功能整合度的感測器單晶片，以達成無所不在的物聯網感測設計。

圖13　IPv6 over Bluetooth Smart架構圖

MEMS整合度再翻升　物聯網實現智慧感測

圖14　愛盛科技資深主任工程師袁輔德表示，磁力計廠商未來將以尺寸和精準度為較勁重點。

愛盛科技資深主任工程師袁輔德(圖14)表示，近年各個產業對感測器的需求不斷加溫，包括農業、工業、汽車和能源產業，皆大舉導入動作、磁性或環境感測器監測系統和機具使用狀態，再利用無線傳輸方式將資料送回雲端管理中心分析，形成一個龐大的智慧感測應用生態系統。

袁輔德進一步指出，除了業界熟知的MEMS加速度計、磁力計和陀螺儀以外，壓力計和溫/濕度感測器的需求也開始大量湧現。

其中，壓力計可實現垂直高度的導航功能，對於山難救援等應用將大有助益，至於溫/濕度感測器則可為電子裝置擷取更多環境資訊，再交由內建的嵌入式處理器進行自動控制。

隨著感測器市場熱度攀升，許多國際MEMS大廠，以及台灣、中國大陸感測器晶片商也競相展開卡位，使MEMS技術競賽更加白熱化(圖15)。袁輔德認為，物聯網的目的係建構一個智慧感測世界，所以感測器必須隨處可見，此將驅動感測器尺寸、成本下降趨勢，對晶片商來說，必須從感測結構設計、製程和封裝技術層面著手，研發多軸、異質功能整合的感測器，才能在物聯網設計戰場中站穩腳步。

圖15　MEMS感測器規格演進趨勢

袁輔德也提到，繼物聯網、穿戴式裝置之後，MEMS晶片商下一階段的技術競賽將聚焦於植入式感測器設計(圖16)，以實現醫療級的生物感測、病況追蹤等應用，真正促成感測無所不在的世界。

圖16　MEMS感測器技術發展趨勢