能想像,如果這世界沒有無線技術,現在的生活會是如何?若要現今的人們回到過去沒有無線通訊技術的日子,你願意嗎?

相信,你一定不否認,現在的生活比起過去的日子方便太多了,而這些便利甚至智慧生活的基礎,如果沒有無線技術加持,現在你大概不會看到「智慧生活」、「智慧城市」、「智慧工廠/工廠自動化」、「智慧/遠端醫療」,以及「物聯網(IoT)」、「車聯網」…等詞彙充斥周遭。

更甚者,現階段各產業都想仰賴的人工智慧(AI)、機器學習(ML)技術,也都需要無線通訊技術的支援,才能收集到所需的巨量資料,供演算法分析並理出可訓練學習的有用資訊,可以說無線通訊技術是大大改變人們生活方式的關鍵之一。

事實上,無線技術可謂「族繁不及備載」,在各類、各種世代的無線技術不斷的演進之下,以及各式各樣的無線通訊技術也各有其「安身之所」,大眾才能不斷地將周遭變得越來越進步及智慧化。在TechTaipei 2019迎接智慧時代雙論壇中,與會的講師們即為參與的學員講述了目前各類無線通訊技術的發展,以及其所打造的各種創新應用。

5G發展速度超乎預期

目前最受矚目的通訊技術之一,5G通訊技術當之無愧。諾基亞(Nokia)技術總監陳銘邦表示,從GSA的報告可以看出,直至2019年7月,已有4家晶片供應商推出5G相關晶片;9家手機製造商推出支援5G技術的智慧型手機;39家5G 使用者設備(UE)供應商推出5G相關產品…等;再加上,5G標準底定到終端產品問世僅花短短1年的時間,可預期5G世代的來臨會比想像中來得快。

目前5G通訊應用方面仍以強調上網速度較過去行動技術更快的增強型行動寬頻(eMBB)為主,接下來會進展至提供超可靠低延遲(uRLLC)應用,最後才是大規模機器類型通訊(mMTC)應用。陳銘邦解釋,5G與4G相比,根據技術的特性,都各有其所謂的應用「鐵三角」,這三塊發展都會根據技術本身的規劃,循序漸進地實現。

尤其5G技術被市場賦予的的「野心」很大,希望能夠將其應用從之前4G強調的影音串流、語音通話,進化到可以涵蓋更多領域,如智慧製造、智慧醫療、智慧城市…等各方面。再加上5G技術除了傳輸速率成倍提升的特性外,超低延遲、支援大量機器間的通訊(即M2M),使得其本身技術門檻加高許多,也因此5G應用鐵三角需時間一一實現。而3GPP也正加緊制訂相關技術規範,例如Release 16即是針對對低延遲特性需求高的工業相關應用所制訂,3GPP預計在明年凍結Release 16技術規範細節,以供晶片商進行產品研發。

20190829NT11P1 4G及5G通訊技術應用發展藍圖。(資料來源:Nokia)

無線技術打造物聯網各式應用

物聯網(IoT)應用與市場發展持續進行中,而要實踐物聯網應用短距、長距無線,以及有線技術須相互搭配,才建置一個順暢無礙的物聯網通訊架構,進而以此架構打造物聯網相關應用。Silicon Labs資深工程師林仕文指出,一般來說,無線短距技術包括藍牙、Zigbee、Z-Wave、Thread、Proprietary與也可歸為中距離無線技術的Wi-Fi;長距離無線通訊技術則是包含5G、NB-IoT、LoRa、Sigfax等;有線技術即乙太網路、光纖、xDSL等。這些技術各有優勢,端視物聯網應用所需而被採用、組成完整的網路。

不過,在物聯網應用通訊最前端的短距無線技術,由於要連結較多的節點、增加網路涵蓋範圍、省電、穩定傳輸與更短回覆時間,促使網狀(mesh)網路架構成為大勢所趨。因此除了已具備網狀網路的Zigbee、Z-Wave、Thread技術之外,藍牙近期也已推出網狀網路技術架構。林仕文說明,藍牙的網狀網路結構與傳播方式較相對成熟的Zigbee技術稍有不同,藍牙網狀網路是將訊息全部灑向所有的節點,不須執行路由表(routing table),優點是可增加訊息傳遞機率,缺點則是會浪費網路資源。

20190829NT11P2 藍牙、Zigbee、Thread網狀網路比較。(資料來源:Silicon Labs)

另一方面,除了網狀網路架構漸成趨勢外,依物聯網應用需求「混搭」各種無線或有線技術,也已成為市場發展重點。德州儀器(TI)資深應用工程師暨科技委員林忠衡指出,單一無線技術並無法滿足物聯網應用需求,例如物聯網應用需可透過手機查看或控制,則勢必需要再加上藍牙技術;若是工廠相關應用,則會需要Zigbee網狀網路,再透過sub-1GHz技術將傳輸範圍進一步擴大,或利用乙太網路將資料傳輸至控制中心。

過去,單一無線技術需要單獨的微控制器處理通訊協議,搭配無線技術收發器,應用需要幾種技術就需要幾顆晶片,這對廠商來說可能需要支付更多成本,因此晶片業者聽到市場需求之後也研發了單一晶片中整合多項無線技術標準的產品。甚至可如同樂高積木一般,在固定的硬體底層基礎上,堆疊所需的無線技術,以節省成本及開發時間。林忠衡認為,無線技術的開發最大的痛點是不同無線晶片供應商有不同的軟體與開發工具。對終端產品製造商來說,開發整合不同無線技術的產品,意味著需要了解不同晶片供應商的開發環境,會大大影響產品上市時間,因此晶片業者也順勢在產品中整合開發軟體,協助業者順利度過產品開發陣痛期,還能因應物聯網少量多樣的市場需求,快速推出因應不同需求的無線終端產品。

20190829NT11P3 多標準無線晶片應用大宗。(資料來源:德州儀器)

目前透過各種短距無線通訊技術,或是內建多樣無線技術晶片的物聯網應用已開始萌芽。舉例來說,串雲科技即利用德州儀器的產品打造出使用藍牙5技術的追蹤定位發射器,該公司技術長陳紹俊介紹,透過藍牙5技術打造的追蹤定位發射器,可以接收來自智慧居家中的燈具、窗簾、空調…等裝置或是個人隨身物品的訊息,透過手機即可控制或查看。而此追蹤定位發射器還能用於醫療照護上,例如追蹤失智老人的狀況,且由於裝置小、成本低、省電,可進一步提高使用者的使用意願。

802.11ah延伸物聯網應用廣度

Wi-Fi技術在物聯網應用中所扮演的角色,大多是負責與手機通訊,或是讓節點的資料可透過閘道器網後端傳送,但這裡所提到的Wi-Fi,大多是市場所熟知的802.11a/b/g/n,或是統稱為Wi-Fi 6的802.11ac技術。Newracom全球業務行銷副總裁林琮閔表示,物聯網的無線技術中有較大比例是專有技術,使得網路擴展受到限制,如低功耗廣域網路(LPWA)技術構成的感測器網路;且物聯網無線技術仍處百家爭鳴狀態,未有統一性標準;再者網路傳輸速率有限也會降低網路使用效率,影響物聯網應用的擴展性。有鑑於此,802.11ah HaLow應運而生。

802.11ah HaLow技術與使用2.4GHz和5GHz頻段的傳統Wi-Fi網路相比,該技術使用750~950MHz頻段,可讓Wi-Fi網路訊號覆蓋範圍更進一步擴大,並使其可在室外行進間傳輸資訊。不僅如此,HaLow一改傳統Wi-Fi技術較耗電的問題,具備低功耗特色,可望將Wi-Fi技術擴展到電池供電產品領域。林琮閔補充,HaLow在室內傳輸穿透力也較傳統Wi-Fi提升不少,這是由於該技術在低於1GHz的頻段運作,因此訊號較能穿透牆壁和其他物理屏障,種種優勢加持下,因此HaLow可視為傳統Wi-Fi在物聯網應用中的補強技術。

20190829NT11P4 物聯網通訊標準比較。(資料來源:Newracom)

現階段IEEE 802.11ah適用的物聯網應用包括家庭自動化、智慧電網、智慧城市、商用無人機、穿戴式裝置和低功耗感測器。林琮閔指出,目前已有超過85家廠商成為IEEE 802.11ah支持者,致力打造HaLow技術完備的生態系統。ABI Research並預期,到2022年,內建HaLow晶片的裝置在智慧家庭、網路和其他物聯網應用的出貨量將可超過5,000萬台,而結合傳統Wi-Fi 技術,不僅可以帶動市場對HaLow技術的接受度,也能進一步為物聯網應用提供完整的無線網路方案。

安全性為一切之首

只要牽涉到網路,系統或產品需要連網,就會衍生出對網路攻擊的疑慮與擔心。恩智浦半導體(NXP)市場行銷資深經理蘇士維表示,網路攻擊技巧不斷在進化,甚至可以利用購買的方式進行商業攻擊,而物聯網應用中很難不使用網路技術進行資料傳輸,以至於網路安全議題也相當被重視。

為盡可能杜絕網路攻擊的問題,如今有許多企業所研發的物聯網產品皆被要求需要內建安全晶片,且歐盟也針對網路及資料安全提出GDPR規範。蘇士維指出,物聯網的四個安全指標包括誠信、可靠性、可用性與保密性,安全晶片的研發也須從這四個角度出發,才能有效遏止網路攻擊,並將影響降到最低。不僅如此,設計安全晶片時,需要考慮使用狀態,並從整個生態系統,以及其他包括政治等相關問題去考量,不是如晶片自我保護功能、安全通道建立等相關技術到位,或是通過相關認證即可。更何況,業者比須認清一點——並非在裝置中加了安全晶片就能確保絕對的安全,而是達到相對的安全性。

20190829NT11P5 物聯網設備安全功能源自物聯網資料要求。(資料來源:NXP)

物聯網應用中,加入安全晶片的相關應用已越來越多。品佳集團TME事業處經理黃宸靖舉例說明,智慧電子鎖關係著進出人員的管控,身兼建築物「保全」的部分功能,且電子鎖也會與手機或行動裝置連接,以更改密碼或透過手機控制、更新,因此會很需要內建安全元件,提升其安全性。

無線技術不僅為人們在溝通上帶來新的方式,也為人們創造了一個更智慧、便利的生活。也許在此背後衍生出一些隱私與安全的疑慮,但隨著科技與電子元件技術的進展,也可望能一一解決。