短程無線技術的關鍵要素概覽

如果您認為無線連線是將您的產品與世界連結的最佳方法，這個決定很好。無線連線帶來的便利性、機動性和靈活性，能讓您的產品在目標市場中更具吸引力。但是，在讚賞自己做出明智決定之後，現在該考慮正事、努力做好設計了。

工作的第一步，就是判定最適合產品的無線連線型式為何。假設您想要將裝置連線至另一個有無線功能的產品，及／或連線至網際網路，將其成為物聯網 (IoT) 的一部份；同時假設您已決定選用一種標準技術 (而非其他多種專有的短程解決方案之一)，以充分利用與其他製造商產品的互通性；最後，假設您想要在不到 100 公尺的距離內進行無線連線。

上述假設將大幅縮小候選範圍。但即使在這些限制條件下，短程無線技術的選擇也是令人眼花繚亂。追根究底，找到解決方案的關鍵，在於釐清無線鏈路的用途為何。

所有短程無線技術都必須在距離、傳輸量、功耗和抗干擾性之間進行取捨。一般而言，若要覆蓋更大的範圍和／或達到更大的傳輸量，就要付出功耗增加的代價。在擁擠的無線射頻 (RF) 頻譜 (例如 2.4 GHz 頻段) 內運作無線電技術時，具有良好的抗干擾性相當重要，如此就不會因為無法傳遞到接收器，而一直重新傳送無線電封包，進而有助於節省電力。其他需要考量的重要因素包括網狀網路連線和網際網路協定 (IP) 互通性。

關鍵的短程無線技術

Wi-Fi、Bluetooth LE、ZigBee 和 Thread (與 ZigBee 一樣，都以符合 IEEE 802.15.4 的無線電技術運作) 皆屬主流的短程無線技術。但是，市面上的短程無線解決方案遠不止這些。其他技術，例如超廣頻 (UWB)、近場通訊 (NFC)、無線 M-Bus、Z-Wave 和 Wi-SUN，對於許多利基型應用都是值得考量的選項。不過，現在讓我們來看看更為主流的選擇。

如果傳輸量和 IP 互通性是優先考量的規格，Wi-Fi 就會是首選。目前最常用的解決方案是 Wi-Fi 5 (前身為 IEEE 802.11ac)，理論上能提供高達 3.5 Gbps 的傳輸量，覆蓋長達 100 m 的室內距離。此技術採用多個通道，既可提高傳輸量，又可克服多重路徑衰退的問題；這種衰退是因為接收器收到來自單一發射訊號的多重反射而受到干擾。Wi-Fi 堆疊還包含內建的 IPv6，因此無需額外的路由器或閘道器，即可將資料傳送至雲端。

圖 1：Wi-Fi 結合 IPv6，可順利連接網際網路。(圖片來源：Netgear)

要發揮 Wi-Fi 的傳輸量潛力，需要大幅增加收發器的功率，因此，如果能源預算有限，Wi-Fi 便不是正確的技術選擇。而且 Wi-Fi 在支援數十部連網裝置這件事上，並未達到最佳化。即便如此，Wi-Fi 6 (前身為 IEEE 802.11ax) 近期還是被現今市面上的一些晶片採用；此技術提高了頻譜效率，因此可在一定程度上克服這些缺點。

如果低功耗是最重視的設計參數，那麼低功耗藍牙 (Bluetooth LE)、ZigBee 和 Thread 值得進一步仔細考慮。這些技術皆有上述 IEEE 802.15.4 標準的要素，因此彼此之間有許多相似之處。IEEE 802.15.4 探討低傳輸率無線個人區域網路 (LR-WPAN) 的實體層 (PHY) 和媒體存取控制層 (MAC)。這些技術通常在 2.4 GHz 的頻率下運作，但 ZigBee 也有一些版本在 sub-GHz 下運作。

Bluetooth LE 是「傳統」藍牙的低功耗版，這是一種消費者導向的無線技術，也是率先將智慧型手機與無線耳機連結的利基型技術。Bluetooth LE 在發佈 4.0 版本後，就成為藍牙協定的一部分。此技術消耗的功率大約為藍牙的十分之一，卻仍可提供多達 2 Mbit/s 的原始資料傳輸量，覆蓋長達 50 m 的距離。

這項技術適合用於 IoT 應用，例如資料傳輸適度且不頻繁的智慧家庭感測器。其特點是具有 40 個通道，以及精密的通道選擇演算法 (CSA)，能夠減少干擾。Bluetooth LE 與大多數智慧型手機所用的藍牙晶片可互通，對消費性導向的應用 (如穿戴式裝置) 來說也是一大優勢 (圖 2)。此技術的主要缺點，在於需要使用昂貴且耗電的閘道器連接雲端，而且網狀網路連線能力笨拙，導致與其他替代方案相比延遲較長。

圖 2：Bluetooth LE 可與智慧型手機互通，因此是穿戴式裝置的主要選擇之一。(圖片來源：Nordic Semiconductor/DO Technologies)

ZigBee 也是工業自動化、商用和家用低功耗和低傳輸量應用的理想選擇。ZigBee 的傳輸量低於 Bluetooth LE，為 250 Kbit/s，傳輸距離和功耗則相似。ZigBee 不能與智慧型手機互通，也沒有原生 IP 能力。可以跨 16 個通道工作，也跟 Bluetooth LE 一樣，採用通道跳頻演算法來避免干擾。ZigBee 有個關鍵優勢，在於起初就是為了網狀網路連線而設計，因此對於智慧照明和其他需要低延遲的應用來說，是理想的選擇。

Thread 於 2014 年首次推出，是短程無線領域中相對較新的技術。與 ZigBee 一樣，Thread 使用 IEEE 802.15.4 PHY 和 MAC 來運作，可支援多達 250 個裝置的大型網狀網路。其傳輸量與 ZigBee 相同，為 250 Kbit/s，功耗亦相似，最長傳輸距離約為 30 公尺。Thread 與 ZigBee 的不同之處，在於其使用 6LoWPAN (IPv6 和低功耗 WPAN 的組合)，因此能更直覺地與其他裝置和雲端連線，不過需要透過一個稱為邊界路由器的網路邊緣裝置進行連線。

合作而非競爭

在短程無線領域中，人們體悟到沒有一種技術能主導市場，因為每種技術都無法避免各種取捨，以便滿足目標應用的需求。在此共識之下，產業團體之間的合作異常地密切，以確保多種短程無線協定堆疊之間具有互通性。

Matter 便是在此協作精神下誕生的一個範例。此倡議計畫是由連線標準聯盟 (CSA，前身為 ZigBee 聯盟) 所推動，此聯盟共有 180 家成員公司，包括 Apple、Amazon 和 Google 在內。Matter 重視安全性和互通性。此計畫引進一個網路層，將 ZigBee、藍牙和 Wi-Fi 串聯在一起，因此無論裝置的品牌或功能為何，皆可彼此互通。獲得 Matter 認可的商業產品預定於 2021 年底前推出，這將是短程無線技術的關鍵時刻。

如果設計人員在設計單一產品款式時，若想在協定選擇上保有最大的彈性，還可以選擇多重協定的短程無線晶片。許多矽晶廠商都提供這類單晶片或模組式解決方案，可支援 Wi-Fi、Bluetooth LE、ZigBee、Thread 或這當中幾種技術的組合。晶片的嵌入式微處理器會依據需求處理協定的切換。

結論

在設計中納入短程無線連線能力，能讓產品對最終使用者更具吸引力。開發人員可以挑選的技術很多，因此做出最好的選擇並不容易。所有短程無線技術都必須在距離、傳輸量、功耗和抗干擾性之間進行取捨。要做出最明智的選擇，關鍵在於仔細考量最終產品的用途、使用者體驗的重要性，然後挑選具有相關優點的無線技術。