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未來建築科技
Building Technology of the Future
     
  Wi-Fi、藍牙、ZigBee-無線通訊三強,誰主沉浮?  
     
     
  邁向萬物聯網的時代,無線通訊技術日趨重要。只是,市面上無線通訊技術眾多,不免讓人眼花撩亂。不過,如果要數當今無線通訊的三大巨頭,當推1997年發布最初版本、1999年成立聯盟的Wi-Fi、取自古代維京國王Harald Bluetooth之名、1999年公布初代技術和成立聯盟的藍牙(Bluetooth),以及以Z字形蜂舞為名、技術和聯盟發布於2001年的ZigBee莫屬。究竟當前成鼎足之勢的這三大無線技術各自的優勢是什麼?相關產品各自又有甚麼認證標準把關?未來誰主沉浮?  
     
  撰文:王奕超  
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各自特長與適用場域
談到Wi-Fi、藍牙、ZigBee各自的優缺點,國際知名的技術驗證服務供應商台灣德國萊因(TÜV Rheinland)的資訊與通信技術電子電氣產品服務部門經理何紹彭分析道:「以發展順序來看,Wi-Fi最早有,再來是藍牙,然後才有ZigBee,這個順序也造成他們聯盟組織的規模、資源有所差異,從而影響各自的發展局面。」

何紹彭指出,Wi-Fi無疑是三大無線技術標準中,聯盟規範最嚴謹、詳細,投入的廠商最多,市面上應用基礎最廣,整合、更新上最有企圖的一個,其涵蓋的發展面最廣,從低頻的2.4GHz到高頻的5GHz,甚至是超高頻的60GHz,此外,傳輸距離長,傳送速率高是其特長,但是高耗電一直是其致命傷。不過近年來Wi-Fi也開始發展低耗能的技術,像去年推出能在不具無線網路的環境中探索、連結鄰近設備的Wi-Fi Aware技術即是一例。

對於發展略晚於Wi-Fi的藍牙,何紹彭則認為,由於它能承載的傳輸量每秒可達1MB,同時安全性高,可設定加密保護,每分鐘能換頻率一千六百次,但有效的傳輸距離較短,傳統的版本大約在10公尺左右,因此比較多投入在個人化的感官體驗的資料傳輸應用上,因而聲音應用領域的配套發展的最多也最成熟。與Wi-Fi相較,藍牙的低功耗、低成本和高度安全是其優勢,而藍牙技術聯盟也很明顯以此為主打,目前發展到4.2的版本,除了提升傳輸距離和傳輸速率,更加降低其功耗,並新增隱私權的功能,強化安全性。

至於ZigBee,何紹彭表示,因為其一開始被發展出來就是以自動控制為目的,因此是最適合於智慧工廠、智慧家庭、智慧建築等智慧化控制應用領域的無線通訊技術。在控制應用領域,ZigBee的裝置種類豐富,配套的協議語言也被較完整的定義,而且在基礎通訊協定的設計上,ZigBee一開始就考慮一對千以上的溝通,採用循多重路徑的跳點通訊(multi-hop),因此比起Wi-Fi和藍牙在設備自動化的應用上更為成熟。由於ZigBee的溝通只專注在感應和控制,因此其傳遞的訊息量是很小的,並且由於設備不用一直常開,在這樣的應用方式下也導致其與Wi-Fi和藍牙相較,是最為省電的一種無線通訊技術,另外ZigBee的硬體裝置也是三者中最為廉價的,因此成本也最低,而安全性的部分,由於支援先進加密標準AES (Advanced Encryption Standard),因此只要設置得宜也有極高的安全性。可以說,低傳輸速率、低成本、省電、安全、專用於設備間的溝通(Machine to Machine,M2M)是ZigBee的基本特點。

然而,何紹彭也提醒,ZigBee的問題是除了設備自動化外的應用十分薄弱,幾乎只能固守自動控制領域,在當前強調與手機等行動裝置結合的智慧聯網趨勢,因為行動裝置使用的無線技術只有Wi-Fi和藍牙,因此就必須依靠能轉換各種通訊協定的Gateway(閘道器)扮演關鍵的中介角色。「這也是為什麼現在很多智慧家庭方案的廠商都要積極去做Gateway的原因。」何紹彭說。

驗證標準
那市面上這麼多號稱擁有Wi-Fi、藍牙、ZigBee技術的產品,是否有認證規範作為依據呢?



對此何紹彭強調,所有無線通訊技術,一般都會受到兩方面的認證標準規範,因而在相關產品上市前必須先經過驗證。這兩方面的認證規範,一是各國法規對於無線通訊的控管,另一個則是各技術聯盟對於其技術的認證,由於這兩種認證規範在意的點不一樣,測試的方向也不一樣,所以在驗證上沒辦法互相涵蓋,其中國家法規的驗證具有強制性,聯盟認證則視各聯盟的規範而定。國家法規主要的重點在於無線頻譜的控管,當功率越大、越靠近禁制頻段,控管的也比較嚴格;聯盟認證則是技術符合效能的資格證明,意在保護聯盟技術的智慧財產權,並維持技術品質。

  • 國家規範
    就Wi-Fi、藍牙、ZigBee這三大無線通訊技術而言,以國家法規來說,是對Wi-Fi產品來說規範上比較嚴苛,何紹彭解釋,因為藍牙和ZigBee是定位在2.4GHz低功率射頻產品,這一頻帶沒什麼禁制問題,而Wi-Fi的台灣開放的功率則從2.4GHz到5GHz跨度比較大,在2.4 GHz的部分,台灣方面跟美國、加拿大是相同的,只開放2412~2461MHz共11個頻道,在5GHz的部分,台灣則開放5250~5350MHz、5470~5725MHz、5725~5825MHz3個頻段,其中5470~5725MHz這個頻段,由於與軍方和氣象用都普勒雷達頻率相衝突,在軍用優先的規範邏輯下,若是要使用這些頻率,就必須搭載DFS和TPC這類無線自動換頻與功率調整技術,務使裝置感測到目前頻率有其它人在使用時,能夠主動跳開改採其它頻率;另外,5250~5350MHz更規定只能在室內使用,同時,為了與國際接軌,未來可能在 5 GHz 的頻段上完全參考美國的頻率及規範。

    「這三者在法規驗證的方式是大同小異。」何紹彭說,在驗證上,主要都是將產品放在電波暗室,然後去觀測產品的電波頻率是否在限制值內,是否會有諧波干擾別人的頻率。另外也會去測量產品在極低溫以及極高溫的狀態。

  • 聯盟認證
    至於聯盟認證的部分,何紹彭強調,Wi-Fi、藍牙、ZigBee不管是在認證的約束力上,還是驗證的項目上則各有差異。

    何紹彭特別指出,這三大無線技術只有藍牙技術有明確智慧財產權的約束,其餘兩者在聯盟認證上則屬於自願型而沒有強制,也就是說,如果未經認證就擅自使用藍牙相關技術,是會吃上侵權官司的,然而符合Wi-Fi、ZigBee技術資格的產品,不一定需要申請聯盟認證,因此沒有Wi-Fi、ZigBee技術聯盟認證過的相關設備,未必不能相容於Wi-Fi、ZigBee的裝置。

    在驗證項目的部分,何紹彭也指出了三者的不同。他說,Wi-Fi聯盟在意的不是產品的無線射頻功率,它要求驗證的是Wi-Fi產品在應用環境下,安全機制是否正常,能不能達到應該要達到的傳輸速率,能不能與其他Wi-Fi裝置進行相互同步、傳檔分享及遠端列印、投影放映等各種功能。

    ZigBee聯盟則是以應用測試為主,驗證被測產品是否按照要求正確地回應或者發送命令,是否正確地執行命令,以確保每一個新的無線電接收器、微控制器可以在ZigBee網路中正常運作,確保與其他不同廠牌的ZigBee產品在網路上的互操作性。

    而藍牙技術聯盟除了要求測試產品在不同用途下,協定層的處理能力,也就是能否與其他藍牙產品互通良好,下指令時是否會獲得正確回應,也要求測試發射器的電性、功率、調變是否正常、相位轉換是否正確、接受器的敏感度以及抗干擾能力是否符合規範。

    這些驗證都必須在各個聯盟授權、指定的認證實驗室,以各聯盟指定或許可的各種檢測設備進行。其中又以Wi-Fi聯盟的認可評估最為嚴苛,不是每家認證實驗室都能獲得認可,從這也能看出Wi-Fi聯盟的嚴謹性。

    未來前景
    對於Wi-Fi、藍牙、ZigBee三者的前景,何紹彭則認為,短時間來說,無線通訊仍會維持Wi-Fi作為一般無線網路的基礎,ZigBee充當M2M的手段,藍牙則服務於私人穿戴、影音領域這樣的三分天下格局。畢竟現階段,藍牙、ZigBee在各自場域的多年深耕、經營所累積的基礎仍不容小覷,何況各自都不斷在精進自身的體系。雖然標準獨尊一家將是極久遠的事,但是在未來我們或許將會在日趨激烈的競爭中,見證各技術間的更多相容,與聯盟間更頻繁的合縱連橫。
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