物聯(lián)網(wǎng)世界的通訊標(biāo)準(zhǔn)介紹

物聯(lián)網(wǎng)的通訊技術(shù)依照訊號傳輸范圍，可分為短距離與長距離兩大類，其中短距離傳輸技術(shù)依照主要的技術(shù)包括 Wi-Fi、ZigBee、Z-Wave、Thread、Bluetooth™、Wi-SUN 等，其主要應(yīng)用于現(xiàn)行的行動裝置如手機(jī)、平板與穿戴式裝置，或是智能家庭、智能工廠與智能照明等領(lǐng)域。而長距離通訊技術(shù)過去主要為 2G、3G、4G 等行動通訊技術(shù)，然因應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用不同于行動通訊對于大帶寬、低延遲等傳輸要求，許多物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用對于數(shù)據(jù)封包需求小、對于延遲容忍程度較大，同時需要覆蓋更為廣泛或是深入地表等屏蔽較嚴(yán)重的區(qū)域，針對上述應(yīng)用，發(fā)展出具備長距離低功耗的通訊技術(shù)，統(tǒng)稱為低功耗廣域網(wǎng)技術(shù) (Low Power Wide Area Network，LPWAN)，其中用戶許可證頻譜通訊技術(shù)主要為 NB-IoT。

 

下圖是一個簡單的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)架構(gòu)圖。

 

 

短距離無線通信技術(shù)：物聯(lián)網(wǎng)世界的最后一哩路

若是根據(jù)長短距離無線通信技術(shù)的特性進(jìn)行采用選擇，短距離通訊搭配一般微控制器扮演在終端裝置上特別是帶傳感器進(jìn)行收集數(shù)據(jù)的重要角色，我們以下表分析幾個重要的技術(shù)采用因素：

 

 

*1: Low-Power Wide-Area Network Range > 1km, 例如: LoRA, SigFox, NB-IoT

*2: Short Range

 

而在眾多短距離的通訊技術(shù)領(lǐng)域里，又以 IEEE 802.15.x 族群為代表而有許多不同的分支，茲將重要的代表技術(shù)整理如下：

 

數(shù)據(jù)源：各聯(lián)盟網(wǎng)站，新唐整理

 

統(tǒng)合先前的整理，我們認(rèn)為提供一套便于開發(fā)且具備數(shù)據(jù)通訊安全考慮特性的短距離參考設(shè)計模塊是對業(yè)界非常有幫助的。而就以符合 IEEE 802.15.4 的標(biāo)準(zhǔn)中的許多標(biāo)準(zhǔn)如 ZigBee Pro、Thread、RF4CE，我們發(fā)現(xiàn) Thread 的發(fā)展最有潛力，其原因包括了以下幾點(diǎn)：(1)受到大廠的支持如Google、Arm、三星等，Apple 也在 2018 年加入 Thread 陣營。(2)基于 IP 為基礎(chǔ)的協(xié)議，對于軟件通訊協(xié)議的整合非常容易達(dá)成。(3)高度標(biāo)準(zhǔn)化、高度互操作性、高安全性且適合電池供電方式的裝置。

 

下圖是一個市場發(fā)展的預(yù)測統(tǒng)計表。

 

 

簡單由上圖來看，基于 IEEE 802.15.4 為基礎(chǔ)相關(guān)協(xié)議的應(yīng)用預(yù)期仍是成長的，主要是集中在 ZigBee 和 Thread，特別是 Thread。而在應(yīng)用方面，根據(jù)市調(diào)資料的整理，是以 Smart Home、Medical Devices、Auto Metering、Smart Building 和 Industrial 為主要的應(yīng)用領(lǐng)域。

 

 

NuMicro M2351的 Thread 參考設(shè)計方案

新唐跟位于英國的 Cascoda 公司合作推出了微控制器加上 802.15.4 內(nèi)含 MAC(Media Access Control) layer 的 Transceiver 的參考設(shè)計。由于 M2351 可以提供 TrustZone® 加上 XOM 功能，所以通訊協(xié)議層可以依據(jù)程序開發(fā)的規(guī)劃放在安全區(qū)或 XOM (eXecute-Only Memory) 內(nèi)部，又由于 Cascoda 的 Transceiver ICs (CA8210, CA8211) 都有內(nèi)含 MAC 層的先期處理 (ROM-based MAC firmware 與 MAC Co-processor)，所以 M2351 這一端負(fù)責(zé) MAC 層后期處理與其上 IP 層以上包含應(yīng)用層的處理游刃有余。

 

如此包含 MAC 前期處理方案 (Low-MAC Transceiver) 有以下好處：

① 通訊協(xié)議的 API 受 Timing 的影響較小，反應(yīng)時間快，比較符合標(biāo)準(zhǔn)

② 對于特定微控制器與 OS 的依存度較小

③ 純軟件處理 MAC 層的作法較沒有風(fēng)險，協(xié)定不容易遭竄改，比較安全

 

 

由上述的結(jié)構(gòu)圖可以實現(xiàn)基于 Cascoda 在無線傳輸收發(fā)器的創(chuàng)新專利達(dá)成約 3 倍的無線傳輸功率提升，比其一般的解決方案可以增加一倍的收發(fā)距離同時兼顧超低功耗的表現(xiàn)，換言之對于裝配電池的裝置有更長的電池使用時間。更甚者，不需要加另一顆專注處理無線通信協(xié)議的微控制器，整個參考設(shè)計模塊內(nèi)含的兩顆主要芯片就可以完全應(yīng)付通訊與終端產(chǎn)品的設(shè)計需求，例如無線抄表、遠(yuǎn)距監(jiān)控、智慧家庭、智能工廠與智能大樓等物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。

 

新唐 802.15.4 Thread 參考設(shè)計方案的細(xì)部特點(diǎn)與帶來的市場機(jī)會

 

新唐 M2351 微控制器由于有充足的資源，除了可利用 TrustZone® 區(qū)域放置 OpenThread 通訊協(xié)議，仍有剩余內(nèi)存空間跑上層應(yīng)用，甚或 RTOS，這些上層應(yīng)用或 RTOS 可以放到 TrustZone® 外的非安全區(qū)以充分利用 Armv8-M 的特性做到對外鏈接網(wǎng)絡(luò)通訊時的軟件安全保障。

 

這樣的方案可以帶來以下的市場機(jī)會：

① 倍增的收訊距離解決了服務(wù)范圍的穩(wěn)定問題。

② 符合標(biāo)準(zhǔn)的參考設(shè)計平臺。完全兼容于現(xiàn)有的 802.15.4 Thread 標(biāo)準(zhǔn)，Cascoda 跟新唐更提供免費(fèi)的 OpenThread Stack 參考設(shè)計，方便通訊軟件協(xié)議開發(fā)人員做整合。

③ 通訊/監(jiān)控區(qū)域的寬廣覆蓋且兼顧低功耗。

④ 快速跟進(jìn)市場上的主流應(yīng)用。802.15.4 已經(jīng)存在于 Comcast, Amazon Echo+, Google NEST，Cascoda 和新唐提供的是一個開放通用平臺，非常便于各類需要類短距離通訊的產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計，是一個創(chuàng)新、安全又兼具高效能的 802.15.4 Thread 終端產(chǎn)品參考設(shè)計范例。