智慧家庭裝置指數級成長　低功耗Wi-Fi打進物聯網應用

這種擴散很難只歸因於任何一種特定的協定，以智慧手表為例，其可能使用Wi-Fi網路同步化健身數據，以及使用傳統藍牙將語音串流傳輸到耳機，使用ANT傳輸心率感測器數據，使用低功耗藍牙(BLE)向智慧手機發送通知。

Wi-Fi適用於物聯網設備

Wi-Fi是一種廣泛部署的協定，擁有超過220億台設備，意味著其幾乎無處不在，並且在大多數家庭和商業環境中均可使用。Wi-Fi顯著具有更高的數據傳輸量—幾乎比大多數物聯網協定高出10~100倍，這使得音訊和視訊串流幾乎不會延遲。高數據速率和範圍可支援許多不同的應用，使Wi-Fi可提供持續不斷的雲端連接而無需閘道器。憑藉這些優勢，Wi-Fi明顯成為許多嵌入式解決方案的首選。

Wi-Fi 4/Wi-Fi 5/Wi-Fi 6技術比較

從Wi-Fi規格的演變來看，802.11n(Wi-Fi 4)比802.11ac(Wi-Fi 5)更適合物聯網應用。一個原因是因為802.11n是雙頻段(2.4GHz和5GHz)，而802.11ac是基於5GHz的單頻段。與5GHz頻率相比，2.4GHz的覆蓋範圍和更佳的物體穿透力更適合用於嵌入式應用。此外，由於協定的複雜性較高，基於802.11ac的系統成本和功耗也更高。雖然Wi-Fi 5確實提供強化的傳輸量，但802.11n提供的傳輸速率對於大多數電池供電的物聯網應用來說已經綽綽有餘。802.11ax(Wi-Fi 6)是此規格的新版本，最高傳輸速度為9.6Gbps，而Wi-Fi 5為3.5Gbps，Wi-Fi 4為600Mbps。Wi-Fi 6的開發主要是因應物聯網設備需求的不斷上升，刺激Wi-Fi網路設備數量的快速成長。

低功耗Wi-Fi設計導入物聯網應用

最新Wi-Fi標準中可提供低功耗特性而延長電池壽命，使當今許多物聯網的設備都能永遠聯網和保持連線。例如，Wi-Fi/低功耗藍牙智慧鎖應用程式可透過Wi-Fi連接到雲端進行遠端存取，並使用低功耗藍牙將鎖配置到Wi-Fi網路上。值得注意的是，在後台運作的雲端連接安全(TLS驗證交換)、網路通訊(利用雲端通訊的MQTT)和空中升級(OTA)更新等作業，會進一步影響系統的電流消耗。透過優化功耗，在低壅塞環境下保持始終連接模式的智慧鎖電池壽命通常為三年，而在密集和壅塞的無線環境下通常為兩年。

智慧手表等較小的設備對空間和電池壽命形成額外的挑戰。小尺寸SiP模組非常適合快速上市的時尚設計。穿戴式裝置通常需要GPS連接以進行位置追蹤，需要Wi-Fi用於雲端連接，需要藍牙A2DP用於音樂串流傳輸，以及利用藍牙LE連接到感測器。除了空中升級更新之外，所有操作的執行都需要在一次充電後，盡可能讓電池的壽命能夠延長。Wi-Fi客戶端設備處於偵聽模式時的消耗電量與接收數據時一樣多。基於此一因素，廠商研發如RS9116 SoC系列產品針對維持開啟功能方面，可提供性能和低功耗等表現。

傳統Wi-Fi與物聯網Wi-Fi的區別

在家中人們習慣使用桌上型電腦、筆記型電腦、平板裝置和智慧手機，透過其連接ISP的家庭Wi-Fi路由器到網路。因為主要用於串流媒體、視訊會議和其他高傳輸量應用，這些設備通常使用專用的高傳輸量和低延遲Wi-Fi解決方案。其需要使用大量資源、龐大的功率消耗及許多天線，因為尺寸、效率和通訊可靠性是其所需的關鍵性能，這些特性不適合傳統的物聯網設備。

然而，越來越多的物聯網產品導入家庭，包括智慧鎖、感測器、燈泡、恆溫器和開關(圖1)。這些產品通常是電池供電的嵌入式設備，需要超低功耗性能並使用低功耗藍牙、Zigbee或Z-Wave。這些設備支援低功耗和低傳輸速率，但由於其並非基於原生的IP，無法直接連接到網路以進入雲端或遙控；因此，需要安裝集線器或閘道設備，將藍牙/Zigbee/Z-Wave轉換為Wi-Fi，以便通過家庭Wi-Fi路由器進入雲端。此一額外的閘道增加了家庭物聯網部署的成本和複雜性，意味著即使這些協定因功耗低而非常適合物聯網，但它們並不適合雲端連接。

物聯網Wi-Fi設備使用標準Wi-Fi協定，可以直接連接到家庭無線路由器，提供與雲端的直接連結。這些設備支援中低傳輸量並提供超低功耗能力，協助彌合其他協定和Wi-Fi之間的電流消耗差距，並透過使用Wi-Fi提供距離更遠的傳輸能力。此外，由於Wi-Fi是目前使用的無線技術，因此不會增加集線器或閘道器的成本。一些支援多協定操作的設備，例如Wi-Fi+藍牙，可以將IoT設備配置到家庭無線路由器。由於使用標準Wi-Fi協定，可與Wi-Fi聯盟推出的未來標準相容，並且憑藉其低功耗、使用資源少、安全能力、遠距和低成本等特性，是開發物聯網設備的理想選擇。值得注意的是，用戶可能不會經常更換此類設備的電池，因此電池壽命非常重要。

一些物聯網應用(如無線感測器)對成本和空間特別敏感。由於物聯網設備的數量每天都在增加，因此射頻頻譜非常擁擠。物聯網設備必須能夠在已經擁擠的環境中提供強大的連接性，同時須使用有限的功率和運算資源。簡潔性對開發人員也很重要，現今的無線和網路堆疊預計將與無線解決方案整合，同時須為供應商提供完整的雲端連接。

隨著駭客試圖入侵物聯網設備的頻率越來越高，安全性變得更為重要。例如，在最近的一起事件中，駭客侵入了一家酒店的溫度控制系統，並勒索金錢來修復它。以智慧鎖為例，任何未經授權的人解鎖侵入房屋或辦公室都不容發生。因此，盡可能擁有最高的安全性變得非常重要。

物聯網設備的互聯互通非常關鍵，因為這些設備需要相互通訊才能完成特定的功能。例如，智慧手機可能需要與燈泡通訊，或者溫度感測器可能需要與空調或加熱元件通訊，這些設備甚至使用多種無線協定，使其難以相互操作。為物聯網應用設計Wi-Fi解決方案時也需要考慮到這一點，因為與其他技術(如低功耗藍牙和傳統藍牙)的共存需要考慮到物聯網產品的其他要求。

Wi-Fi物聯網應用持續發生

為了說明傳統和物聯網的Wi-Fi設備在物聯網應用中的使用情形，以智慧家庭為例，圖2顯示了一個傳統設備，以及智慧鎖、安全攝影機、開關和燈泡等物聯網Wi-Fi設備。圖中的IoT設備可能會使用Wi-Fi和/或其他無線協定，具體情況取決於應用需求。

例如，智慧恆溫器用於控制空調和加熱裝置。其使用Wi-Fi連接到家庭路由器，進而提供與在地設備的連接，以及用於遠程監控和控制恆溫器的雲端連接。在常規操作期間，此類Wi-Fi設備要求的傳輸量極為有限，因為其提供的通訊僅用於監視和控制設備。但是，當此類設備的韌體升級時，這種情況會發生變化，因為在此期間傳輸量要求要高得多。在這一點上，擁有Wi-Fi是有益的，因為其可以調整使用的傳輸量和數據速率，以滿足這種臨時較高傳輸量的要求。

大多數物聯網設備使用2.4GHz Wi-Fi，因為成本更低、功率更低、在終端用戶的家中更普遍，並且可以提供比5GHz解決方案更寬廣的覆蓋範圍。然而，2.4GHz頻譜變得越來越擁擠，因為其Wi-Fi頻道數量有限，而且其他幾個協定，包括傳統藍牙、低功耗藍牙和Zigbee，都在同一頻譜中運行。這也是Wi-Fi 6的價值所在。

Wi-Fi 6還具有稱為目標喚醒時間(Target Wake Time, TWT)的新功能，它可使設備能夠在目標時間喚醒並查找數據，而不是定期喚醒，功耗因而顯著降低，這對於電池供電的物聯網設備至關重要。此外，在Wi-Fi 6中使用波束成形和MU-MIMO功能可以提高室內部署的密度和範圍。因為物聯網設備部署的數量正顯著增加，密度和範圍的重要性也隨之提高。因此，與有利於物聯網應用的上一代Wi-Fi技術相比，Wi-Fi 6可以實現更可靠的連接。

Wi-Fi 6也能向下相容Wi-Fi 4，這點很重要，因為已有大量各種類型的Wi-Fi 4設備(存取點、電腦、行動設備、IoT設備)部署在世界各地，因此將其中的任何或全部更新到Wi-Fi 6不會對相容性造成重大影響。

Wi-Fi 6物聯網設備優勢

當今大多數物聯網設備使用Wi-Fi 4，而大多數傳統Wi-Fi設備使用Wi-Fi 4或Wi-Fi 5。Wi-Fi 6於2019年推出，目前正在進行基礎設施部署。與802.11n一樣，802.11ax在2.4GHz和5GHz頻譜中運行。但是，它提供了優於802.11n的幾個優勢，這些優勢涉及對IoT設備特別有用的媒體存取。Wi-Fi 6的最大好處在於支持正交分頻多重存取(Orthogonal Frequency Division Multiple Access, OFDMA)和MU-MIMO技術，因此即使在2.4GHz頻譜中，也可以在擁擠環境中支援大量的共存設備。由於物聯網設備的數量每年都呈倍數增加，Wi-Fi 6可使它們能夠良好運行並共存，無需遷移到5GHz或6GHz頻譜，此種遷移會增加物聯網設備的成本和功率，且通常會縮小它們的覆蓋範圍。

(本文作者任職於芯科科技)