無線模組的未來

無線技術正歷經劇烈變革。 行動市場從 3G 邁向 LTE、LTE Advance 和 LTE Advanced Pro，藉此提高數據傳輸率並降低功率，同時更展望新一代的 5G 技術。 因此將引進更多更高頻率的頻段，達到更高的數據傳輸率。 此外也會引進目前用於 Wi-Fi 等免執照頻段的其他技術。

同時，營運商與開發人員正在密切關注行動無線網路的發展，以期為物聯網 (IoT) 提供低成本、可靠且可擴充的無線鏈路。 對於這些應用而言，驅策發展的因素在於功耗與電池續航力，而目前窄頻段解決方案也正在崛起。 除此之外，藍牙與 ZigBee 等規格的最新演進也以物聯網應用為目標。 藍牙第 5 版承諾以更低的功耗，提供更寬廣的範圍與更快的資料傳輸率，而 ZigBee 3.0 則為網狀網路帶來更低的功耗。

這些特點都會讓設計工程師感到十分頭痛。 若要選擇可達到低成本、低功耗之全球應用的無線通訊協定，將會相當複雜，而且無法特別穩定。

模組製造商試圖克服此挑戰的方式之一就是採用通用覆蓋區。舉例而言，Sierra Wireless 考慮到這一點，因此刻意在所有無線開發項目中採取模組化方式。 AirPrime HL 系列的各種 2G、3G 及 4G 嵌入式模組，就為裝置製造商提供符合必要連線要求所需的一切要素。 採用各種行動網路技術都適用的通用外型、小巧尺寸、低功耗及增強的 RF 效能，也提供美國 GPS 與俄羅斯 GLONASS 衛星系統的 GNSS 導航及全球涵蓋範圍選項。

圖 1：無線模組通用覆蓋區能讓每一代技術輕鬆新增至電路板上。

只要使用單一的 PCB 板設計，裝置製造商便能輕鬆整合語音和數據連線能力，並部署於任何區域、任何無線行動網路上（如圖 1 所示）。 Sierra 也曾考慮為了達到高效率量產而將模組焊接固定，或是在相同的焊盤上採用扣入式插槽，以便在開發原型或少量試產時達到全面靈活性（圖 2）。 此扣入式插槽能讓裝置製造商透過通用覆蓋區，在生產期間及產品生命週期的任何時間點部署或變更模組。

在外型上採用共同的引腳配置，就可在不同的 2G、3G 和 4G 模組間達到向上與向下相容性。 也就是說，此系列中的機械引腳位置都提供相同的功能。 不只如此，HL 系列的引腳配置更相容於應用處理 WP 系列。

圖 2：扣入式插槽能讓任何通用模組在原型系統中進行測試，或是用於少量試產。

但無線模組的未來並非只有硬體。 軟體與軔體也逐漸成為系統的關鍵要素。 透過 Sierra 的 AirVantage 雲端式空中 (OTA) 服務，使用者能夠輕鬆連線至一組任何規模的遠端機器，並且進行管理。 如此即可運用開放式 M2M 開發工具與標準，將機器資料整合至企業系統。

Sierra 率領 Eclipse IoT 工作小組進行標準的制訂，並在 Github 開放原始碼儲存庫中提供應用程式設計介面 (API)，其中包含 AirVantage API 的 Node.js 範例。 這個範例使用 Clojure 中的 Airvantage REST API，這是一個以 Go 語言編寫的簡易型 OAuth2 + JSon 用戶端，能夠從 AirVantage 收集閘道清單，並且提供以 Ruby、PHP 和 Java 存取 AirVantage API 的方式；也提供輕量靈活的 Shell 指令碼，可在命令列中與 AirVantage M2M 雲端 API 進行互動。

同樣地，NimbeLink 的 Skywire LTE CAT1 數據機是以長壽命應用為目標，因此必須將不斷變化的無線技術納入考量。 此數據機使用與 Skywire 系列相同的小尺寸與 XBEE 介面，並且相容於 NimbeLink 的開發套件與微處理器擴充板，因此能輕鬆快速地將行動網路連線功能整合至產品中。 使用 XBEE 的標準介面，能夠簡化移轉至其他行動網路技術的過程，並能隨著新技術的成熟而延長產品壽命。

行動網路世界對藍牙、Wi-Fi 及 ZigBee 等免執照技術會造成的威脅已有警覺，因此正在採取行動，研擬其專屬的低數據傳輸率標準。 第 13 版的 3GPP 規格納入窄頻帶物聯網 (NB-IoT) (LTE Cat. NB1) 標準，首度開放物聯網使用行動網路。 

如此一來，行動網路模組就可在眾多應用中達到 10 至 20 年的電池續航力，例如智慧建築與城市、公用事業儀表、白色家電、資產追蹤以及農業與環境監控等應用。 沃達豐 (Vodafone)、德國電信 (Deutsche Telekom) 與華為 (Huawei) 等公司在智慧儀表與停車應用中所進行的測試已證實成功，顯示出 NB-IoT 網路的運作效率高於 GPRS。 NB-IoT 模組將在 2016 年末上市，下行峰值速率高達 227 kbps，而上行速率高達 21 kbps，功耗得以維持在相當低的水準，電池續航力可以長達十至二十年之久。 可同時支援三個 RF 頻段，也就是說，同一個的模組可用於大部分地理區中。

圖 3：窄頻帶物聯網 (NB-IoT) 模組將在 2016 年末推出（資料來源：3GPP）

NB-IoT 可降低裝置複雜度，並達到超低功耗運作，且每個行動網路單元支援最多 150,000 部裝置。 最明顯的特點是，這項技術在鏈路預算上比 GPRS 高出 20 dB，因此即便是在地下室或建築物內部等訊號涵蓋不良的情況下，也能夠達到絕佳效能。

然而，免執照頻段的無線技術也在持續發展中。 比起目前的版本，藍牙第 5 版保證以兩倍頻寬提供四倍的涵蓋範圍，以期打造「免連線」物聯網。 藍牙第 5 版克服了一些先前版本要部署到物聯網網路時所面臨的挑戰。

新技術將在 2016 年末或 2017 年初推出，而搭載此技術的模組將提供比現有技術高達四倍的範圍，目標是達到 50 公尺，速度達到 2 Mbit/s。 範圍的延伸將可提供更完善且可靠的物聯網連線，以便實現完整的家用與建築物和戶外用途應用，而更高的速度則能讓更快傳送資料，並且達到最佳化反應能力。

然而，在矽晶片與模組中採用該技術將決定整體的功耗與電池續航力。

目前也有其他計畫，想要用這些硬體模組進一步簡化物聯網的複雜度，並且提供「智慧家庭即服務」(SHaaS)。 由於單一感測器就可用於多種應用，因此能降低需要的感測器總數，並減少備援項目與維護作業。 舉例而言，保全系統可以使用動作感測器來控制燈光、管理家中環境、控制娛樂選項、調整家中生活風格，以及甚至是餵食家中寵物。

圖 4：除了可用的通訊層 RF 標準之外，應用層的競爭也相當激烈。

您無須建構自己的網路，SHaaS 的一系列服務會分析智慧型家庭感測器所輸入的資訊，瞭解家庭成員的生活方式以及家庭環境的使用情況，並據此作出明智決策，讓家庭環境更加舒適、安全且節能。

家中各處感測器所提供的資訊，會由本地中樞裝置以無線方式進行收集，再安全地傳輸至智慧雲端服務，藉以收集並分析資料。 在初次安裝後，雲端的演算法只需要一兩週的時間，便能累積足夠的資料，讓應用程式「瞭解」家庭成員的生活方式，並能在非預期事件發生或某些狀況出現劇烈變化時發送警報。

所有各式各樣的服務都需要統整至單一的使用者介面，並整合至容易使用的儀表板上，而客戶支援、帳務、訂戶管理以及軟體與服務更新和變動等事宜則由服務供應商處理。

如此就能達到容易使用及管理的智慧家庭，並能有效地為住戶提供安全與舒適感，也能為服務供應商創造可觀的收入。 裝置與系統開發人員需要密切合作，開發軟硬體與網路情報系統，以達到這種服務水準。

結論

無線模組的未來是由各類應用以及技術所推動，而軟體在此演進中所扮演的角色益發重要。 NB-IoT 等新興硬體標準提供了多項優勢，更結合通用的模組覆蓋區，讓無線節點的設計變得更簡單。  而模組上的軟體則是下一個複雜的挑戰，必須在應用中納入 OTA 更新與整合，才能建立「智慧家庭即服務」(SHaaS) 等全新市場。