集結Sub-GHz/2.4GHz技術優勢　多協定SoC搶攻IoT應用商機

2019-08-13

Anders Pettersson

無線連接是物聯網(IoT)終端節點設計的關鍵所在。物聯網中重要且普及的連接方式包括藍牙低功耗(Bluetooth Low Energy)、藍牙網狀網路(Mesh)、Zigbee、Thread、Z-Wave、Wi-Fi和各種採用Sub-GHz頻段的專有協定。

藍牙技術聯盟

IoT裝置的應用場景相當廣泛，需要具備各種連接能力。例如，Wi-Fi通常應用於支援內容串流的網路協定(IP)攝影機和設備；藍牙是部署各種智慧家庭設備和其他應用的最佳選擇；Zigbee、Thread、Z-Wave和藍牙網狀網路則支援大規模網路的相互操作裝置(例如智慧照明、智慧能源和家庭安全系統等)。每種無線協定都具有獨特的優勢和特性，選擇正確的協定則取決於終端產品需求。了解如何使用和適應各種生態系統，將有助開發者進行決策並解決有關能源效率、性能、安全性、互通性、可升級性以及與其他射頻來源干擾的問題。接下來，讓我們依序看看這些常見的連接方式。

Mesh提升藍牙IoT市場機會

藍牙是一種流行且無處不在的協定，並隨著時間持續發展。1999年由藍牙技術聯盟(Bluetooth SIG)發表第一代官方技術標準。最初作為行動通訊設備和串流語音/音訊數據的協定，目前已發展為功能強大並節能的無線技術，而藍牙低功耗(LE)在功耗敏感的物聯網終端節點應用中相當受歡迎。

藍牙低功耗規範支援極低功耗操作，為了確保在2.4GHz頻段內可靠運作，它利用一種強大的跳頻擴頻技術以在40個頻道上傳輸數據。隨著藍牙5.0版本增強功能的發表，藍牙低功耗為物聯網設計提供了極大的靈活性，包括實體層(PHY)多元選項、125kbps至2Mbps的數據傳輸速率、多種功率級別(從1mW到100mW)、以及多種安全選項，甚至高達國安等級。

2017年中發表的藍牙Mesh為物聯網增加另一種網狀網路選項。藍牙網狀網路實現了多對多裝置通訊，非常適合創建IoT解決方案，其中數十、數百甚至數千個裝置必須可靠且安全地相互通訊。藍牙Mesh裝置是智慧家庭(見圖1)、照明、信標和資產追蹤應用的理想選擇。例如，在零售行銷及資產追蹤中，藍牙Mesh技術簡化了信標的部署和管理。透過藍牙低功耗與網狀網路的相互結合，能將新的功能與價值導入IoT設備，例如聯網照明也可用於信標或信標掃描器。

Zigbee叢集庫簡化IoT產品開發

2004年由Zigbee聯盟(Zigbee Alliance)標準化，Zigbee基於IEEE 802.15.4物理無線標準運行，與藍牙和Wi-Fi相較其功耗更低。由於其網狀拓撲結構和經驗證過的擴展性，可輕鬆支援超過250個節點的網路，因此被廣泛應用於家庭自動化和工業網狀網路。兼具低功耗和自我修復可擴展性，使Zigbee顯得獨一無二。採用具備短封包長度的802.15.4 MAC/PHY、16個信道直接序列擴頻(DSSS)的調變方案和用於處理錯誤訊息的MAC層機制，Zigbee可以在低功率範圍內運行。

此外，輸出的功率發射器功率可被設定為省電模式，尤其在集中式網路中，採用電池供電的相鄰路由節點可幫助中繼訊息。這種處理網狀路由功能的優化方式可以使記憶體資源需求相對較低，只需不到160kB的快閃記憶體和一般32kB的RAM。這為應用開發人員和消費者打造更低成本的晶片和經濟實惠的解決方案。

Zigbee聯盟還制定了應用程序，稱為叢集庫，用來簡化標準產品(例如燈泡和在場感測器)的開發。如圖2所示，物聯網通用的Zigbee應用層被稱為Dotdot，這是一種通用的標準應用語言，可用於智慧裝置在任何網路(例如Thread)中的通訊。

Thread記憶體容量需求低　成IoT技術新星

Thread是物聯網最新的無線技術，提供基於IP的網狀網路和更高的安全性。Thread Group成立於2014年，並於2015年7月發表了Thread規範並持續改進。Thread以現有標準為基礎(包括IEEE 802.15.4)，為網路層和傳輸層增加特殊的設計規範。如同Zigbee一樣，Thread在2.4GHz頻段運行，形成一個由多達250個節點構成的強健、可自我修復的網狀網路。

Thread支援低功耗、低成本、網狀可擴展性、安全性和IP定址。與Zigbee類似，它將網狀相鄰的複雜處理轉化為靜態記憶體查找表，同時保持相對較低的傳輸/路由資源需求，以便運行於低成本的嵌入式裝置上(小於185kB快閃記憶體和32kB的RAM)。要實現這個目標主要透過軟體工作量，這也是為什麼Thread解決方案和協定堆疊的供應商，對於開發和提供在主機晶片(通常是無線MCU或系統單晶片SoC元件)上實現的強大解決方案，而感到自豪的原因。隨著快閃記憶體愈加便宜，以及積體電路(IC)整合更多記憶體，Thread協定堆疊對於低/中記憶體容量的需求讓晶片能夠整合更多RF元件(例如電感配對網路)，有助開發人員擺脫射頻工程的複雜性。

Z-Wave主攻智慧家庭市場

Z-Wave技術是一種開放、國際認可的國際電信聯盟(ITU)標準(G.9959)。是目前領先的無線智慧家庭技術之一，在全球擁有超過2,700種經過認證、可互操作的產品(見圖3)。Z-Wave由Z-Wave聯盟(Z-Wave Alliance)代表，已獲得全球700多家廠商支援，是家庭安全、能源、飯店、辦公室和輕型商業應用提供智慧生活解決方案的關鍵因素。Z-Wave技術最初由Zensys公司於1999年設計，它是一間總部坐落於哥本哈根的新創公司，2008年12月被Sigma Designs收購，最近於2018年4月由Silicon Labs收購。

圖3　全球700多家公司在超過2,700種經過認證、可互操作的產品中使用Z-Wave

Z-Wave主要吸引力之一在於它為Sub-GHz頻段提供網狀網路，避免了有時擁擠的2.4GHz工業、科學和醫療(ISM)頻段，大多數其他標準的IoT協定都使用這種頻段。互通性和向後兼容性是Z-Wave技術理念的關鍵原則，這種展望在設備製造和生態系統領域吸引不少支持，為Z-Wave聯盟的成功打下堅實基礎。該聯盟致力於認證Z-Wave產品互操作性，為成員發掘市場商機。

Wi-Fi 802.11b/g/n滿足高頻寬網路需求

Wi-Fi建立在區域網路IEEE 802.11標準上。主要解決家庭和企業對於更高頻寬IP網路的需求。如同許多無線IoT技術，Wi-Fi在2.4GHz頻段運作。目前已擴展到支援5GHz頻段，實現更高的資料傳輸速率，避免其他許可2.4GHz技術干擾的挑戰。

Wi-Fi的主要考量因素包括IP網路、頻寬和功率。由於它們通常適用於高頻寬、高功率且複雜的支援軟體，因此Wi-Fi基礎的設計往往比其他IoT技術昂貴。Wi-Fi需要龐大、更複雜的RF元件和更多應用於網路處理的嵌入式運算資源。但是，如果需要超過10Mbps的資料傳輸速率並直接訪問互聯網，那麼Wi-Fi就是理想的選擇。

展望未來，可以預期Wi-Fi將持續隨著物聯網發展，這可能意味著更低的功耗、更快速以及用於2.4GHz頻段(例如藍牙和802.15.4)和5GHz頻段(例如蜂巢網路)的整合硬體/軟體解決方案。

Sub-GHz挾傳輸範圍優勢　挑戰2.4GHz協定市場

對於工業感測等低傳輸速率的應用，操作頻率低於1GHz的Sub-GHz網路，比起更強大、功能豐富的2.4GHz協定更具優勢。傳輸範圍是Sub-GHz網路的主要優勢所在。窄頻能持續傳輸一公里以上，將資料發射到遠端集線器，而不需要更複雜的網狀軟體便能實現節點彼此跳躍。此外，Sub-GHz頻段比起ISM 2.4GHz頻譜較不擁擠。

然而，在某些地區可用的sub-GHz頻道有限，這使得開發人員無法構建單一架構的全球性解決方案。另一個劣勢是，Sub-GHz無線電波規範因國家而異，並且工作週期(Duty Cycle)限制實際上可能限制應用的傳輸時間。總體來說，Sub-GHz網路在傳輸距離方面更具優勢，但缺乏先前提過的標準化2.4GHz協定。

多重協定SoC滿足IoT多元應用

整體產業的硬體和軟體工程密不可分，無線MCU和SoC的數量快速成長可支援多重無線協定。這些多重協定設備開發全新的IoT功能和應用場景，例如在其他網路上簡化裝置部署和藍牙信標(圖4)。