圖1 針對不同的物聯網應用，多種無線通訊技術將同時並存。
由於新一代智慧電網係透過裝置間即時通訊來提升能源管理效率，因此已大量採用頻段干擾較少的Sub-GHz，以及低耗電且設計彈性高的ZigBee無線通訊技術，以建構高可靠性的無線感測網路，達到精準蒐集和傳遞資料的目的。
物聯網(IoT)的重要驅動力之一是低功耗無線感測器的出現。從智慧電表(Smart Meter)到運輸系統、從保全系統到建築物自動化，感測器愈來愈廣泛用於各類應用中。對無線感測器來說，可擴展性、範圍、休眠電流和可靠性等特性至關重要，雖某些終端節點所需資料傳輸速率相對較低，但是大規模網路中的即時報告匯集，已意味巨量資料(Big Data)時代來臨。
據全球行動通訊系統(GSM)聯盟預測，至2020年將有大約五百億個搭載無線通訊的裝置，其中，行動裝置和個人電腦(PC)僅占25%，其餘大多為物聯網裝置，顯見其商機龐大。
在物聯網的發展熱潮下，智慧電網(Smart Grid)的布建也隨之加速，由於新一代電力網路強調裝置之間可即時通訊，因此有很多無線連接技術備受矚目，最普遍的包括無線區域網路(Wi-Fi)、藍牙(Bluetooth)、ZigBee和基於Sub-GHz技術的解決方案，每種解決方案都有優缺點，在這個互連世界中，以上無線技術將會共存(圖1)。
實現智慧能源管理 無線通訊技術扮要角
為提供終端使用者更好的服務，公共事業和市政單位開始擴展智慧計量系統，以解決即時資料不斷增加的問題，公共事業透過智慧電表，能夠更頻繁和更有效的查看客戶的能源消耗資訊，同時也能快速識別、隔離以及解決電力失效等問題，而消費者也能透過互連來獲取相關資訊。
智慧能源和智慧家居系統中的網路設備均能即時報告其使用狀態和功耗，且能回應公共事業發出的控制指令，例如洗碗機能在電費最低時啟動，或適時提醒用戶何時該採買洗潔精，讓電子裝置的使用更加節能、有效率。同樣的，在鐵路運輸網路中，無線感測器可用於遠端監控廣闊的軌道網路，技術人員能提前識別維護需求，降低以人工巡視軌道的成本和延遲。
對導入許多無線感測器的網路環境而言，某些感測器每秒進行一次狀態更新，每次僅傳輸幾個位元組資訊，但單一建築物可能就有數萬個節點，而智慧電網的覆蓋範圍更大至數個城鎮，因此可靠性、可擴展性和電源效率都非常重要。
舉例來說，美國拉斯維加斯的Aria酒店部署七萬多個採用ZigBee網狀網路通訊節點，以便控制照明、空調和建築物周圍的許多其他服務。在多數應用中，感測器安裝位置大多無法連接主電源，只能以電池供電，因此可靠的網路架構要求有能力處理大量匯集的資料，但感測器節點本身也須以極低功耗運行，才能真正實現智慧能源管理。
可靠性、可擴展性和電源效率的組合，明確界定無線感測器節點能採用的通訊技術需求。系統整合商不僅要考慮所選拓撲結構和無線協定的優缺點，也要考慮無線技術本身既有的物理屬性，如混凝土牆和多徑衰落對任何無線系統來說都是不利的，但也有辦法減輕影響。為解決這個問題，各國均有相關法規管理無線電頻段和可用頻率範圍。
其中，2.4GHz為毋須授權的全球頻段，因此其無線系統設計能服務於全球主要市場，最普遍的Wi-Fi就是基於2.4GHz頻段的通訊技術，可在兩個節點之間快速傳輸大量資料，但其功耗較高，在星型架構中，每個網路接取點(AP)限制在不超過十五到三十二個用戶端。藍牙亦採用2.4GHz頻段，做為可攜式裝置點對點傳輸方案，但僅支援幾個節點；至於ZigBee頻段亦然，但僅用於滿足低功耗無線感測器節點的特殊需求。表1彙總目前的無線網路技術主要特性和功能。
採用網狀拓撲 ZigBee網路設計靈活
事實上，ZigBee係一個開放的無線網狀網路技術，在智慧能源管理應用領域備受期待。其與傳統的星型和點對點網路架構不同，採用動態、AODV(Ad Hoc On-demand Distance Vector)路由技術，並以最低成本的網路拓撲結構為建築物內的所有節點提供可靠的覆蓋率(圖2)。
圖2 常見的三種無線通訊網路拓撲結構
在AODV中，當一個節點須連接時，路由器將發送一條路由請求，其他節點在路由表中查找，如果有到達目標節點的裝置，則向來源節點回饋，來源節點選擇一條可靠、跳數最小的路線，並儲存資訊到本地路由表以便用於未來所需；如果一條路由線路失敗，節點還能簡單的選擇另一條替代路由線路。不僅如此，若來源和目的地之間的最短線路因牆壁或多徑干擾受阻，ZigBee也能自我調整，找出較長但可用的路由線路。
舉例來說，基於芯科實驗室(Silicon Labs)ZigBee系統單晶片(SoC)和EmberZNet PRO協定堆疊的無線感測器網路，可提供自配置和自修復的網狀網路連接性，並擴展連接單一網路中的數百或數千節點。
為發揮ZigBee網路彈性設計的最大優勢，營運商也須搭配高效率的除錯工具，主因係網狀網路的複雜性將使傳統網路分析工具(如Packet Sniffer)使用起來更加困難。此外，封包到達目的地前，許多中間傳輸將超出分析儀的應用範圍，目前唯一的解決方法是採用專用的桌上型網路分析儀(Desktop Network Analyzer)，才能以圖形化介面顯示網路中每個封包收發狀況，並進行協定分析，讓開發人員得以協調網路通訊和裝置任務。
不過，在某些情況下，網狀網路並不是合適的選擇，因為節點密度太低，因此無法提供有效的容錯移轉支援。例如，公路或鐵路網路拓撲結構須沿著狹長路徑以寬間距部署節點。同樣，校園的周邊設施對於採用網狀網路來說過於稀疏。在這些環境中，結合星型拓撲結構可跨越更遠距離，因而更可靠及合適。
頻段干擾較少 Sub-GHz支援長距離通訊
由於無線傳播距離與頻率成反比，在低功耗、長距離通訊或穿牆能力上，Sub-GHz射頻(RF)技術比ZigBee更有優勢，如目前在許多無線網路應用中，433MHz已成為2.4GHz的替代品(惟日本不允許用於無線應用)；而基於868MHz和915MHz的設計亦已廣泛用於美國和歐洲市場。
許多可用頻段對系統整合商來說，既可選擇在某些特定區域進行效能最佳化，或配合公共事業在廣闊區域設計系統。在多樣化選擇中，Sub-GHz與2.4GHz頻段相比，頻段頻譜干擾更少，因而能提高網路整體效能，減少傳輸中的重複傳送次數。
儘管Sub-GHz技術可採用標準的網路通訊堆疊協定，但許多廠商仍選擇專用解決方案來解決其特定需求，主要係無線協定面臨著一個問題，接收器不知道消息何時到來，不得不保持監聽以便不丟失任何資料，因此即使沒有消息，接收器也不能完全關閉，此種情形將限制節點的電池自主權，須定期更換電池或充電。
市面上最新的Sub-GHz收發器已可支援119M~1,050MHz頻率範圍，最大146dB的鏈路預算(Link Budget)，以及休眠模式下僅需50奈安培(nA)電流消耗；同時也能支援雙天線設計，以減輕多徑衰落的影響。
晶片整合天線分集邏輯演算法後，還可採用跳頻和時脈同步技術，讓系統整合商在調節器和終端節點之間，實現跨越數公里的Sub-GHz網路，且終端節點可採用單電池運行10年以上，因而能以少量調節器覆蓋特定區域，加速實現智慧能源管理系統的建置。
不過，無線網路世界中，沒有一種萬能的解決方案，尤其在大規模、低功耗網路中，更不能僅選擇無線網路中的某一種形式，須促進Sub-GHz和ZigBee無線網路良好並存。例如在校園中，2.4GHz ZigBee適用於室內自動化系統，而Sub-GHz用於戶外燈光控制。
ZigBee/Sub-GHz共構低功耗無線感測器網路
雖然可靠、有效的收集資料能力對無線網路環境布建最為重要，但相關業者要真正激發出無線網路應用潛能，實現所有即時資訊的資料分析、視覺化以獲得行動服務，還須進一步發展雲端運算連接方案。
一般而言，大規模網路通常利用回程(Backhaul)系統，把每個子網路中收集的資訊轉換成網際網路通訊協定(IP)，並且在每個收集點，把接收到的資料轉換成適合在標準IP幀中傳輸的格式。大多數情況下，在感測器網路中的網路通訊協定前端將分解並進行封包分析，隨後回程系統再把含有來源和目的地資訊的原始資料整合成IP封包，讓感測器網路毋須消耗過多能源。
緊接著，IP封包將採用與其他網路資料封包一樣的方式選擇路由，而服務提供者則透過雲端服務分析資訊，並提供給用戶，讓消費者可藉由平板、筆電或手機取用數據，形成更有效率的智慧能源管理流程。
無庸置疑，無線通訊和低功耗設計技術的發展帶來許多便利性，讓人們可測量、監視和控制環境，這是以前無法想像的；現階段，智慧電表、保全和建築物自動化等應用正蓬勃發展，而污水管理和森林火災探測類型等應用也開始起步。由於不同的技術各有優勢，未來ZigBee協定和Sub-GHz射頻系統將高度整合，以實現高可擴展和可靠性的低功耗無線感測器網路。
(本文作者為芯科實驗室無線產品行銷總監)
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