無線通訊，一百公尺的連線戰爭

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那到底一百公尺的連線距離是什麼？
為什麼對物聯網這麼重要，我們可以用下面的圖片簡略說明：
目前網路連線大略可分為四種模式：
包括個人網路（Personal Area Network，PAN）、區域網路（Local Area Network，LAN ）、鄰近網路（Neighborhood Area Network，NAN ）以及廣域網路（Wide Area Network，WAN ）這四種，其中 PAN 與 LAN 就是本篇所要探討的，同時也是物聯網中所謂「一百公尺」的無線通訊範圍。



所謂「物聯網的連線」不是指你家的沙發、電視都能直接接上 3G 或 LTE 等廣域基地台，這樣不但浪費功率、提高設備成本，同時也沒有必要，
因此這「一百公尺」的距離就是靠一些無線短距通訊標準連結，讓裝置可以間接連上網際網路，比所有裝置都具備網際網路連線能力還實際，
同時也不會浪費更多的資源。

以物聯網發展的情況來說，無線通訊技術必須要滿足下面幾點需求：

低成本：因為許多設備的感測器都是低成本的小型設備，才能夠更快速地普及，同時為了節省體積與成本，也必須要讓無線通訊晶片與應用程式能同時使用微控制器運算。
低功率：你不可能要家裡所有的裝置都插電，因此低功耗也會是無線通訊技術的基礎，連結耗費的電力低，也才可能讓電力維持更長久──或是讓某些較低功的能量收集技術成功。
進入門檻低：必須要讓裝置輕易連結裝置或網際網路。
安全性：萬物連線意味著許多設備也可能受到攻擊，因此相關的認證與加密也絕對不能缺席。
多樣支援性：要能夠有更多的支援性，例如連線到 iOS、Android、Windows，或是 PC、Mac 甚至 Linux 等系統，更多樣化的支援，也會讓整個物聯網系統更加方便。
能支援各種領域的標準：物聯網技術的標準相當重要，例如三星跟英特爾等公司的 OIC 聯盟；還有 Linux、高通、松下、微軟等公司組成的 Allseen 聯盟等，都是目前的熱門選擇，這情況有點像是 HD-DVD 與藍光光碟之爭，但最終應該會有一個全面互通的標準出現，而這些標準也將支援大部分該有的無線通訊技術。

在這「一百公尺的距離中」，目前主要傾向是以星狀或網狀拓樸兩種模式彼此連結：

▲ 左邊是星狀拓樸，右邊是網狀拓樸示意圖。

星狀拓樸是將所有裝置連接到一個中心節點裝置（例如手機或平板 ），而該中心節點也可以連線到網際網路上；
網狀拓樸則是每個物品都是一個節點，節點之間可以彼此連接到其他節點。

星狀拓樸比較符合一般人對物聯網的觀念，例如所有裝置都連結到手機或平板上，使用手機或平板就可以遙控這些裝置，
例如用手機遙控電視、冷氣，甚至是調整沙發傾斜的角度等，都是星狀拓樸的應用概念。但使用星狀拓樸的缺點，在於中央裝置如果發生問題，很可能造成所有裝置也無法使用。

在網狀拓樸中，每個節點都可以跟其他多個節點連接，並彼此協助連線，即使一個裝置正在忙碌或沒有發生作用，另外一個裝置也可以補上（有點類似 FireChat 的設計原理），但相較之下網狀拓樸設計比較複雜，裝置的應用撰寫較困難、同時也會提高成本。

目前來說，目前物聯網的無線通訊最大挑戰，是讓不同的廠商設備都能夠彼此連線，為了面對這個問題，許多正在進行連線標準的組織或聯盟也正在發展新設計，以保證設備彼此之間的相容性能夠提高，而這也才能真正加速物聯網的發展。

IP 化的差異

當然，物聯網就是希望所有的設備都能連線到網際網路上，而這也必須讓所有物聯網的設備都能過透過 IP 連線到網路進行數據交換。
就算是使用非 IP 協議連線的區域網路設備，也可以透過閘道連接到網路上，或是讓使用 IP 與不使用 IP 協議的設備相互通聯。
在這種情況下，閘道必須要能夠將區域網路的數據以 TCP/IP 協議重組或撰寫，好讓區域網路的設備也能夠連上網路。

如果設備本身就是使用 IP 連線，就代表閘道不需要修改任何韌體即可讓裝置相互連結──例如我們的筆記型電腦在安裝新的網路應用程式時，
完全不需要更新我們的家庭網路，是因為電腦本身就使用 TCP/IP 協議，而路由器只需要擔負連線的功能而無須做任何修改。

▲  透過閘道 ( Gateway ) 的各種連線方式。

另一方面則是以家中的警報系統為例，通常警報系統會有一個安全相關的感應器，可以偵測你的家中是否安全，如果發現有盜賊破門而入進入家中時，感應器會將偵測的結果傳到警報器上，而警報器就必須透過 TCP/IP 才有辦法把相關資訊傳送到你的手機上，但感應器與警報器之間不見得是使用 TCP/IP 協議傳輸──事實上，感應器與警報器之間也沒有必要透過網路傳輸。

其實讓物聯網設備都連上網路這件事情已經不是很困難的事，TCP/IP 這種相對成熟的協議，可以減少設備間需要透過有轉換功能的閘道才能彼此連線的問題。但相較於不透過 TCP/IP 的協議的設備來說，想要讓設備透過 TCP/IP 協議連線，需要相對較好的處理器以應付較為複雜的設定，這也意味著成本更高，也必須要耗費更多的功率發送與接收資料。

也因為如此，不透過 TCP/IP 連線協議的無線通訊也不斷發展與更新，許多廠商也寧願使用比較簡單的特殊無線通訊協議以降低成本。

▲  目前在「一百公尺」內的連線還沒有完備。連線標準 IEEE 802.11

成立於 1963 年的「電機電子工程師學會 The Institute of Electrical and Electronics Engineers（簡稱 IEEE）」，於 1997 年為無線區域網路制訂了第一個標準 IEEE 802.11，此後這個標準也成為最通用的無線網路標準，802.11 催生出了 Wi-Fi ，同時也因為版本的更新而讓 Wi-Fi 能有更進步的速度，而 802.15.4 則定義出了一些「無線個人網路 WPAN」的連線標準，其中也包括了 ZigBee、6LoWPAN 與 WirelessHART，在加上以 802.15.4 標準所推出的藍牙，就成為這一百公尺戰爭中的主要競爭者。

Wi-Fi

以 IEEE 802.11X 標準發展出的最主要技術，主要是由 Wi-Fi 聯盟所推動，最早 Wi-Fi 就是要與網路連結而發展出來的技術，因此 Wi-Fi 同時也包含著 TCP/IP 協議，因此也需要使用 TCP/IP 協議才能夠連接。

拜筆記型電腦、智慧型手機、平板電腦三者的巨大成功，Wi-Fi 也因此得以發展成熟，即使是 LTE 開始發展的現在，Wi-Fi 也仍然保持著一定的優勢，同時也是一個發展上相對成熟的技術。Wi-Fi 主要是以星狀拓樸結構為主，高功率的 Wi-Fi 通常足以涵蓋一般家庭的公寓大小，而在企業或辦公室的區域中，通常會佈置多台 Wi-Fi 以增加覆蓋率。

▲  Wi-Fi 基地台可說是目前讓物聯網設備連線到網路上最方便的選擇。

包括 ISM 2.4GHz 頻段與 5GHz 頻段， Wi-Fi 的傳輸速率遠高於其他無線傳輸技術，但由於需要包含 TCP/IP 協議的標準，因此能夠使用 Wi-Fi 的設備通常得包含 MCU（微控制器；Microcontroller Unit）與大量的記憶體，包括筆記型電腦、智慧型手機自然是輕鬆達到 Wi-Fi 的需求，但如果是像自動恆溫器或家電等不需大量運算的物聯網設備來說，使用 Wi-Fi 連線的成本效益就相對過高。

但矽半導體技術則成為 Wi-Fi 的重要突破口，新技術減少了 MPU 的開支，同時也讓 MCU 就足以內含無線連結網路的能力，同時也解決了 Wi-Fi 的耗電問題，畢竟為了實現高速傳輸以及室內覆蓋率，Wi-Fi 的耗電量相比其他技術來看是較大的──而且在傳輸上的峰值電流幾乎沒辦法減少，但矽晶體技術讓 Wi-Fi 可以利用休眠、快速開關等方法降低平均的功耗。

一些降低不必要電耗的方式成為 Wi-Fi 省電的基礎，由於大多數物聯網產品都不需要 Wi-Fi 如此高速的數據傳輸，因此電源管理設計可以讓 Wi-Fi 的電量消耗有顯著的降低，同時也能輕易地應用在例如智慧型手錶、手環等體積較小的設備上，並且利用 Wi-Fi 輕易連到網路上傳輸數據。

Wi-Fi 能連接的也是一大優勢，許多 Wi-Fi 的基地台宣稱可以同時連接 250 個設備，企業級的基地台可以擁有更大的連接數據，就連消費型的 Wi-Fi 基地台都可以有接近 50 個裝置連接的水準，因此在整個物聯網時代中，Wi-Fi 很難成為完全標準，比較有可能成為整個家庭的連線節點或中繼站。

藍牙

藍牙主要是作為「個人區域網路」為主，於 1994 年由易利信發展，並在之後獲得其他業界公司支援，最終發展成「藍牙技術聯盟」。藍牙技術聯盟與 IEEE 達成協議，在 2001 年正式列入 IEEE 802.15.1 標準，此後該標準就由藍牙技術聯盟所發展，也因為列入了 IEEE 標準，讓藍牙迅速獲得了各家廠牌的支持。此後藍牙幾乎成為所有手機必備的標準。

最早藍牙主要是用於短距離的通訊，功耗遠比 Wi-Fi 還低，同時也有一定的數據傳輸量，現今藍牙主要是以點對點傳輸為主，並針對一對一連線最佳化，但其實藍牙也可以支援星狀拓樸結構，支援一對多的連線。

在 2010 年推出的藍牙 4.0 規範改變了藍牙傳統的思維，一開始推出的 4.0 標準主要是以「低功耗」作為號召，但其實 4.0 是第一個綜合協定規範，納入了 Nokia 開發的 Wibree 低功耗無線通訊技術，而 Dual Mode 也能夠讓藍牙 4.0 向下相容。

▲ 藍牙已經有一 定的市占率，也是目前最有優勢的無線通訊標準。（圖片來源：mbientlab）

低功耗藍牙也讓藍牙能夠再應用於更多智慧型裝置，低功耗的特性大大地打開了藍牙的市場，除了智慧型手機與平板電腦以外，藍牙也涵蓋了健康，遊戲、汽車的新應用，甚至可以提供地理位置與地標的基礎功能。

而在物聯網即將爆發的時代，藍牙也在今年不斷提出全新的願景，除了將支援 IPv6 並透過 IP 管理實現網狀拓樸架構外，也將大幅改進資訊安全性問題，甚至打算與 NFC 合作推出相容標準，並且改善傳輸距離過短的問題（事實上這個問題已經在藍牙 4.0 中改善）。以藍牙目前的市場覆蓋率來說，它很有機會成為物聯網時代的無線通訊霸主。

蘋果的 iBeacon 也是基於支援低功耗藍牙之下的通訊技術，但蘋果利用 BLE 技術傳送資訊，因此可以傳遞 ID 相關資訊，讓採用同樣技術的信號得以辨識不同的設備與裝置。

ZigBee

以蜜蜂為名的 ZigBee，名字可說是完全符合了這個通訊技術的特性－－網狀結構就如同蜜蜂般相互傳遞，設備間也能夠依靠 ZigBee 技術連結，每個設備都能夠同時支援大量網路節點、同時也能支援多種網路拓樸，而且技術的複雜度低、快速、而且較為安全。目前加入 ZigBee 聯盟的公司有三星、西門子、德州儀器、摩托羅拉、三菱、飛利浦等公司。

ZigBee 歷史其實也不算短，是在 2001 年被納入 IEEE 802.15.4 標準中，是種低傳輸、低功耗、低成本的技術，主要是採用 2.4GHz 的 ISM 頻段，不過 ZigBee 同時也支援 868 MHz 與 915 MHz 頻段。ZigBee 的傳輸量約為 250kbps，但通常都不會用到這麼多數據傳輸量，而 ZigBee 的長時間休眠功能與省電能力也令人讚嘆，只要一顆鈕扣電池就可以使用年餘，因此也有 ZigBee 設備是採用無電池模式，只需要一些能量採集科技就能供應足夠的電力。

ZigBee 本身並沒有自行連接到網路上的機制，因此只能利用節點（例如 Wi-Fi）連接到網路上，而不能自行連網。

低功耗、網狀結構、安全是 ZigBee 的三大魅力，但相較於已經被掌握的藍牙來說，ZigBee 在應用上的難度較高，而初創事業一般來說也大都會寧願投入已經有一定市占的藍牙，而不見得願意選擇 ZigBee 當作連線標準。也因此 ZigBee 聯盟已經轉了方向，主要是以發展 802.15.4 協議為主，而該聯盟所發展的 SEP 2.0 智慧電網標準已經廣獲採納，很可能會成為智能電網的主流標準。

▲ ZigBee 的網狀結構與安全性都是此標準的魅力。（圖片來源：ZigBee.org）6LOWPAN

與 ZigBee 同樣採用 802.15.4 的無線通訊標準，6LOWPAN 是屬於比較新穎的技術，但與 ZigBee 最大的不同點，則是 6LOWPAN 打破了無線通訊低功耗的專用協議，一開始就以低功耗且可連線到 IPv6 做為坐大的號召，而且由於加密方式與 ZigBee 採用同樣的 AES-128，相對之下也較為安全。

跟 Wi-Fi 一樣，6LOWPAN 主要是使用 2.4 GHz 的頻段（同時也支援 868 與 915 MHz 頻段），但發射功率只有 Wi-Fi 的 1%，這也使得 6LOWPAN 的傳輸距離因此而受到了限制，必須利用類似 ZigBee 的網狀拓樸結構，利用多台設備一起連線，才能減少障礙物、並讓訊號可以傳遞的更遠。

隨著 IPv4 已經不敷使用，IPv6 將會成為往後物聯網的重要標準──因為物聯網的發達，必然伴隨而來龐大的 IP 位置，能夠在 802.15.4 的低功耗標準下，透過 Wi-Fi 基地台連線至網際網路，是 6LOWPAN 標準最大的魅力。

Zigbee 聯盟也在新的 SEP 2.0 應用協議中加入了 6LOWPAN 的支援。

802.15.4 有巨大潛力，但藍牙是其最大障礙

其實相比於傳統的藍牙、Wi-Fi 來說，802.15.4 協議超低功率的連線方式，似乎更適合使用於物聯網的使用模式，但藍牙也不會輕易讓出目前的霸主地位，尤其是藍牙在 4.0 開始加入低功耗、廣域連線（理論值 100 公尺）等重要架構後，朝物聯網邁進的目標更為明顯。尤其是 802.15.4 的連線協議缺乏智慧型手機、平板電腦等行動裝置的支援，會是 802.15.4 協議難以切入的點。

▲ 功耗、傳輸距離與傳輸速率的比較。

根據調研機構 Gartner 提出的數據顯示，未來物聯網的「一百公尺」連線戰爭中，主要將會是以藍牙佔 76%，Wi-Fi 則佔 23% ，等於相當看好藍牙連線的未來發展。不過 ZigBee 聯盟所發展的 SEP 2.0 則已經切入了美國的智慧電網標準，未來 802.15.4 很可能會更往「智慧城市」部分的發展，協助公共設施的物聯網發展，而藍牙則可能切入「智慧家庭」中，成為家庭設備進入物聯網的連線標準。

但在技術不斷進步的情況下，要讓家用無線基地台能夠同時容納低功耗藍牙與 802.15.4 標準也不是難事，但如果無線通訊標準是依靠如 Wi-Fi 般的廣域通訊網路做連結，因為以 802.11x 標準技術的廣域區域網路裝置已被證實不太安全、更容易受到攻擊，通訊技術在不斷發展演化下，都有可能更進步，因此安全性反而會是物聯網未來最終、也最重要的考量。