如果您目前正在實施物聯網(IoT),那麼您可能已經花了很多時間在研究無線連接解決方案,因為這畢竟有太多的選擇。然而,Wi-Fi和LoRaWAN這兩種技術在作為從邊緣到雲端的端對端解決方案時,能夠發揮極具吸引力的加乘綜效。因此,從工業設施到全世界各大城市的種種應用,也都可以搭配使用這兩種技術。為了深究其因,讓我們先瞭解二者之間如何協同運作。

物聯網需要從邊緣裝置(例如各種類型感測器)到網際網路(Internet)的連接能力。在邊緣,典型的協議選擇是從基於802.15.4的標準、藍牙或Wi-Fi之中擇其一,因為每一種標準都具有網狀網路(mesh)功能。資料就透過該技術標準傳送到閘道器,然後再透過蜂巢式或低功耗無線局域網路(LPWAN)傳送到網際網路。

Wi-Fi是唯一可提供極高資料速率的協議。然而,其缺點在於接取點消耗大量功率,其可視範圍(LoS)也僅約200公尺,使用20MHz或更高的通道頻寬,並可在2.4GHz和5GHz的頻率下運行,但無法穿透結構,其頻率也較低。

Wi-Fi Value, 2018-2023

2018年全球Wi-Fi提供的經濟價值接近2兆美元,預計這一數字到2023年時將成長到近3.5兆美元。(來源:Wi-Fi Alliance)

相形之下,使用LoRaWAN的邊緣裝置僅消耗微安培(uA)的電流,使用鈕扣電池即可持續運作好幾年。該協議使用非常窄的500kHz或更小通道寬度以及20dBm (50mW)的最大發射功率。此外,在北美,採用從914MHz到928MHz的頻率範圍運作,不僅可穿透結構,同時還支援更長的傳輸距離。

LoRaWAN system

LoRaWAN系統架構圖。(來源:LoRa Alliance)

對於一項發射功率極小且天線經常「電氣短接」(electrically short)的技術而言,「長距離覆蓋範圍」這項特性似乎有悖於直覺。但是,由於LoRa無線電使用線性調頻頻譜調變和基於頻段擴展的相關機制,因此,即使遠低於雜訊級的19.5dB極其微弱訊號,也可以由接收器進行解調。業餘愛好者曾對此進行測試,其結果令人印象深刻或甚至「驚艷」,也就不足為奇了。今年7月,西班牙的一支工程師團隊使用氣球安裝的定向天線,搭配Hope Electronics的RFM95W收發器以14 dBm (25mW發射功率)的RF輸出,寫下了766公里(476英哩)的世界紀錄。

balloon test

從西班牙Alfamen發射7個不同大小的氣球,使用LoRaWAN的氣球以25nW發射功率達到距離766公里的世界紀錄。

那為什麼不直接使用LoRaWAN就好?

當然,認定單獨使用LoRaWAN就足夠而不必非得與Wi-Fi搭配使用,也是很合理的,因為它畢竟提供了端對端解決方案的一切必要條件,而且LoRaWAN網路也已經成功地用於全球140多個國家了。然而,Wi-Fi能夠達到LoRaWAN無法提供的傳輸速率和低延遲性能。這意味著在越來越多的情況下,這兩種截然不同的技術得以聯手產生一些Wi-Fi和LoRaWAN無法單獨提供的解決方案。因此,這種強大的組合開啟了一系列更廣泛的應用。

而且整合這兩種技術也非常容易。多家裝置製造商都打造了可同時支援Wi-Fi和LoRaWAN的收發器和閘道器,也提供可插入LoRaWAN閘道器的Wi-Fi接取點配接器。兼容LoRaWAN/Wi-Fi的最新閘道器尺寸比起其前代產品更小,通常只有兩支智慧型手機堆疊在一起的大小,而且其成本正逐漸降低,甚至降到比標準消費性Wi-Fi接取點還要低。許多產品還提供對於藍牙、GPS和LoRaWAN各種功能的支援,並包括不同的安全等級。設定支援這種雙協議的閘道器也非常簡單,只需透過閘道器提供的軟體或智慧型手機應用程式(App)即可。

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LoRaWAN和Wi-Fi的智慧家庭(消費)應用。(來源:Wireless Broadband Allice、LoRa Alliance)

將LoRaWAN感測器產生的資料移至Wi-Fi的過程幾乎可以立即完成,而且還可加以調整以便在特定情況下啟動。例如,當使用LoRaWAN的攝影機檢測到動作並開始錄製視訊時,可以將傳輸功能切換成Wi-Fi,才有足夠的頻寬和速度將視訊影片傳送上雲端。

另一個例子是定位和追蹤,可以透過LoRaWAN感測器「嗅探」Wi-Fi接取點,並將符合要求的幾個接取點傳送到LoRaWAN雲端,然後再透過三角測量和精確的時間戳來實現地理定位。即使是單個IoT裝置也可能在室內實現約10公尺的Wi-Fi地理定位精確度,具體取決於有多少可用的Wi-Fi接取點。例如,具有五個強大Wi-Fi訊號的垂直標高定位約為5公尺,而在市區的戶外約為20公尺。

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LoRaWAN和Wi-Fi相輔相成。(來源:Wireless Broadband Allice、LoRa Alliance)

當採用IEEE 802.11mc標準提供精密的定時測量(也稱為往返時間或RTT)時,也可以提高準確性。IEEE 802.11mc在精確定位技術方面的最新進展較鮮為人知,因為它一直到最近才引起媒體關注,但它其實已經整合至Android P作業系統,可望在未來幾年開始看到更廣泛的部署。IEEE 802.11mc可以將定位精度提高到大約1公尺,並提供垂直(Z軸)位置資訊,這些都在過去是無法實現的。

Wi-Fi RTT能夠讓三軸的位置誤差均降低到大約1公尺,而實現達到1公尺的定立精度。例如讓第一個出動救援的人員更快定位到需要幫助的人、使用智慧型手機撥打911,以及在多層建築物的公寓中精確地定位。而當啟用RTT的Wi-Fi接取點和LoRaWAN一起使用時,還可以將這樣的精確確度擴展到遠端位置。

LoRaWAN和Wi-Fi能有效地協同運作,這並不是其他無線通訊技術(無論是短距離還是長距離)所能實現的。蜂巢式網路可以完成LoRaWAN的大部份工作,但還需要更多的基礎設施,而且部署成本更高,消耗更多的裝置電池壽命,使得對於IoT通訊網路的控制受限。因此,LoRaWAN崛起成為最廣泛部署的LPWAN技術,而且由於Wi-Fi可在短距離內提供極高的資料傳輸速率,超越其他所有解決方案更高一個數量級。LoRaWAN和Wi-Fi共同打造了獨特的解決方案。

編譯:Susan Hong

(參考原文:LoRaWAN and Wi-Fi: Made for Each Other,by Remi Lorrain)