智慧製造2019.08.01

Communication Protocol 琳瑯滿目,滿足多元 OT 應用

飛飛

物聯網 雲端服務 創新

 

雲端體系中,就物聯裝置的數量與地理範圍而言,可說是從地端至中央雲形成金字塔般的差別。地端位於此金字塔的底層,牽涉最多、最廣的節點。正由於此,OT 地端的通訊具備了相當的高度挑戰。

 

通訊距離、傳輸頻率、裝置密集度、資料流類型等都將是影響 OT 通訊品質、經濟效益的諸多因素,也成為此層面通訊技術差異化的關鍵。以差異較大的農業地端、智慧家庭為例: 農田場景地端的通訊特點在於距離較遠、傳輸頻率較低、密集度也低、資料流類型偏向環境感測的單一性;至於智慧家庭的通訊著重於近距離、中高傳輸頻率、高密集度訊號流、資料類型則更強調語音辨識等多元化。如此簡單比較,即可一目瞭然同樣的地端通訊,有著數百公尺到一公尺內甚至更近距離的差別;頻率也可能如自動化工廠數十秒一次,以至一天五次甚至更長週期的智慧電錶;訊號流環境也大不相同,像智慧醫療的訊號環境有生理偵測、影像辨識,也有高頻率的環境感測,資訊類別多元,而智慧監控則較聚焦於影像辨識。

 

因應各種需求,Communication Protocol 也發展出多元化選擇,有如 6LoPAN 打出 IP 途徑的獨特技術,也有如 Z-Wave 選用非屬熱門的 918 / 860 頻段 ;或者老牌 Bluetooth、Wi-Fi 透過技術演進,尋求更廣泛的地端通訊應用。無論是 PAN、LAN 或是 WAN,主要以節點散布地理範圍或裝置應用用途而有所區隔,然而通訊技術的日異革新與精進,使得從通訊距離、通訊路徑,以至柘樸適用類型等技術層面上,都走向多元應用,追求既可適用 PAN,也能應用於 LAN 或/及 WAN。像是 Wi-Fi 即發展出從過往室內無線分享的應用場景,遂漸延伸出多類型規格:既分支於工業導向規格,也擴展到個人穿戴裝置的通訊連結,甚至是智慧城市長距的室外傳輸 AP,擴展更多連網應用選擇。

 

LAN vs WAN

Local Area Network 及 Wide Area Network 最大的差別在於節點散布的地理範圍大小:LAN 的範圍及於機關、學校、辨公室、大樓等較限定空間;WAN 則可連結廣布於區域性地理範圍,如城市、州/省,甚至是單一國家。因此,技術方面,基本上傳輸距離長、資料負載低者較適用於 WAN,而 LAN 更常見短距、較高負載。WAN 與 LAN之間也可相互連結,以大網包小網的概念來說,LAN 彼此之間可透過 WAN 相互連結。我們一般熟知的蜂巢式網路 2G - 5G 即為適用 WAN 的通訊網路。由於 LAN 與 WAN 都具一定程度的大範圍通訊,其間更可能涵蓋長/短距離、高/低頻率等較複雜多元的通訊需求,因此也都發展出不同頻段、特重低耗能等差異化的無線通訊規格,像是:6LoPAN 與 LPWAN 。

 

6LoPAN vs LPWAN

兩者都是主打低耗能,其主要的差別也在於通訊地理範圍的大小。6LoPAN 歸屬 LAN,主要應用於如智慧家庭等侷限空間的 WSN ,尤其是固定週期的感測資料蒐集,像是環境感測中的空氣品質偵測、長期溫度變化。LPWAN,如其所名,歸類於 WAN,其適用於譬如智慧城市、農業等的大範圍訊號及資料傳遞;台北市目前即計劃以路燈作為 LPWAN 的節點選項。

 

LPWAN  

可分為授權與非授模頻段。需經授權頻段的協定,包括:NB-IoT、eMTC、LTE-M;非授權頻譜則有 LoRa、Sigfox、RPMA 等。而其中的主流選擇包括:

 

  • NB-IoT _ 5G 標準制定者 3GPP 所發展

主打室內應用,並特點在高節點密集度。其使用 LTE 標準,但限於單一 200 kHz窄頻。採用 OFDM / SC-FDMA 於 下載/上行通訊。  

 

  • LORA _ 美商、主要支持大廠包括 IBM、Cisco

技術特點包括 Star-of-stars 星狀柘樸,透過 Gateways 中繼終端置與中央網路伺服器之間的訊息;Gateways 再透過標準 IP 連結網路,作為透通橋接模式,僅雙向轉換 RF 與 IP 兩類型的封包。Long Range 之名,使其可透過獨特實體層協定,單跳於終端裝置與一個及其以上 Gateways 之間而相互連結。所有模式均可雙向通訊,使其優勢於處理大量散布的訊息。製造商之間的高度 Interoperability 為另一特點。

 

  • Sigfox _ 法商、全球布局、自成體系

技術特點包括毋須建立與維護網路連結,即可監聽數十億的廣播資訊,並以軟體導向通訊管理,全盤上雲。採用 Ultra Narrow Band radio modulation,運作於 200KHz,並採星狀柘樸。此外,以輕量協定用於處理低量訊息以達節能;也以至多 12 bytes 低量資料負載於上行訊息,從而減低雜訊。可相容 Bluetooth、2G-4G、Wi-Fi。

 

生態系是物聯網時代的重點, CT 層面的無線通訊也不例外。新的通訊協定,總能以其獨特技術填補市場上待滿足的需求,然而不只是技術與規格優勢,在大網包小網的概念下,新興通訊標準還需考量如何契合市場上通訊版圖所缺乏的一塊;老牌通訊協定也持續於技術革新,回應物聯通訊新需求。物聯網的通訊版圖才在戰鼓隆隆的市佔率廝殺戰階段,各有技術特點、應用優勢,卻也各自有其缺憾,而相同的是不間斷地技術演進中。因此,通訊生態系內無論是玩家、規格還是變局都仍具可能性。

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飛飛
隨著通訊市場進入 5G 開通初始階段,AI 市場的發展也愈發如火如荼。AI Accelerator 的競爭朝向從硬體到軟體/軟體到硬體建構出完整的 OT-CT-IT 生態系。這也就是說,如:NVIDIA、Intel 等硬體商,開始發展自身的 AI Instance;而像 Google 這樣軟體起家者,則反向跨足 AI Chip 硬體。相對的,有道是現成的最好用,因此如 NVIDIA 用上了可謂 AI 生態系競爭對手的 Tensorflow 框架;或是 Google Clouds 反之用上了 NVIDIA 的 GPU;或者像 Intel 直接採取併購策略。可以說,不僅是 AI 晶片發愈多元,AI 生態系更是混搭聯名現正夯。
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