物聯網(IoT)的範疇極廣,而物聯網的運作需要有線、無線通訊為支撐,以家庭而言,需要Wi-Fi、Bluetooth、Z-Wave等無線通訊支撐,或G.hn、HomePNA等有線通訊支撐。

IoT的物物相連情境中,各種物品都會具備連網功能。
IoT的物物相連情境中,各種物品都會具備連網功能。

產業方面多使用ZigBee無線通訊,但ZigBee的每個節點(node)通訊距離一般約在數十公尺,最多至100公尺、300公尺,無法到達一公里以上的通訊距離。

如果要達一公里以上的傳遞,可以用增設節點的方式來達成,傳遞過程中的數個節點,只負責將數據再轉傳,自身不需要感測、產生數據,但此作法的缺點是必須佈建、維護更多的節點,即便沒有故障失效,日久也必須去更換電池(除非該節點有在地能源採集能力,但目前的能源採集多在於延長電池使用時間,而非全然替代電池)。

如果數據傳遞的路徑是經過河流、高山、峭壁等,則難以佈建,也難以換替電池,如此替代的長距離通訊方案可能為現有手機所用的2G、3G通訊,但採行這類的通訊涉及兩點,一是產業應用的自建自用,也必須徵求頻譜授權,有些國家需要付費,另一是直接與電信業者(如中華電信、台灣大哥大)合作,使用其基地台傳遞,然也必須付費給電信業者。

或者,也可以採行Wi-Fi,但Wi-Fi的頻段高(2.4GHz),要長距離傳輸必須增強發送功率,且產業應用不需要Wi-Fi動輒Mbps以上的傳輸率,只需要kbps等級即可。

可遠傳的Sub 1GHz無線通訊

因此,業界開始發展低於1GHz頻段以下的無線通訊,如315MHz、433MHz、868MHz、915MHz等,泛稱為Sub 1GHz,其中868MHz、915MHz與ZigBee相同頻段,但315MHz、433MHz則為更低頻,其他也包含300MHz、387MHz、470MHz、779MHz等,不同國家有不同的規劃配置。

低頻的好處是相同發送功率下可獲得較遠的傳送距離,若使用315MHz,與Wi-Fi的2.4GHz相比差距約8倍,Wi-Fi若能達100公尺,315MHz則可達800公尺(覆蓋面積更差距64倍),再加上Sub 1GHz不需要高傳輸率,不需要16QAM、64QAM等複雜調變,採行簡單調變(如ASK、FSK等)的結果是傳輸距離更遠,可達數公里。

因此有愈來愈多晶片業者投入Sub 1GHz的發展,如TI、STMicro、Infineon等,以滿足產業需要的長距離、低數據傳輸率需求。

Sub 1GHz雖有好處,但缺點是各國尚未統一可用頻段,如日本可用310MHz,大陸可用470MHz等,因此晶片業者在設計晶片時,盡可能讓單一晶片可支援多種頻段,若無法用單一晶片支援所有頻段,也可能用一顆支援多個低頻段(偏300、400MHz),另一顆支援多個高頻段(偏800、900MHz)。此外發送功率也必須合乎各地規範,如歐洲ETSI、美國FCC等認證。

IEEE 802.11ah標準制訂中

也因為Sub 1GHz尚未全然標準化,因此IEEE也開始研擬、制訂其標準,此即為IEEE 802.11ah,若無其他延宕,預計在2016年3月完成制訂。目前參與此標準訂立的相關業者機構有Motorola Mobility(尚待確認仍屬Google或已屬Lenovo)、NEC、CSR、ETRI、Intel等,另也包含Broadcom、Huawei、Qualcomm、Marvell、Samsung

雖然仍在研擬,但已可從草擬版略知若干技術細節,例如通道頻寬可為1、2、4、8、16MHz,需要高傳輸率可採8、16MHz,需要低傳輸率可採1、2MHz,明顯與今日主流Wi-Fi不同,主流Wi-Fi為追求高傳輸率,11n時代允許選用40MHz(11g僅20MHz),11ac則至80MHz,11ac Wave更至80+80MHz或160MHz。另外11ah/Sub 1GHz雖只需要低傳輸率,但目前已知也至少能支援150kbps。

11ah的標準一旦確立,則IoT物聯網的發展將有更強力的依靠,特別是Km級通訊的2G、3G也朝高傳輸率發展(4G、LTE、LTE-Hi等),就更需要專精於產業應用的Sub 1GHz技術標準,期待此能更早到來。