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资料传输需求倍增IoT及5G网路将主导无线通讯趋势

2017/3/15
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影音、虚拟实境(VR)及各种推陈出新的资讯消费与娱乐形式,对于资料传输速率要求与日俱增,也带动了无线通讯技术的发展。物联网(IoT)与5G网路被视为2017年主导无线通讯的两大趋势,而先进驾驶辅助系统(Advanced Driver Assistance Systems;ADAS)以及Wi-Fi应用的后续发展也都不容小觑。

据Electronic Design报导,物联网的成长主要来自工业及消费者应用两个领域。就消费者市场而言,除越来越普遍的保健医疗穿戴式装置外,家庭自动化系统也是重要成长部门。许多家电都已配备无线连线功能,其中又以Wi-Fi、蓝牙(Bluetooth)最为常见,其他像是ZigBee、Thread、Z-Wave也各有拥护者。

然而整体而言,大众多还认为物联网装置只是新奇的玩意,而非生活中的必需品。像是Wi-Fi冰箱的接受度,就远不及智慧型控温器、监视器、门锁等装置。但无论如何,消费者物联网还会持续成长,市场也会趁此机会筛选出真正实用的物联网产品。

相形之下,工业物联网(IIoT)所能带来的好处更加显而易见。美国新政府上任后,预期会有更多制造业回流,自动化程度也将进一步提升。机器设备无论或新或旧,都将透过大量感测器搜集资料,做为云端分析与决策的依据,以期增加整体生产力、提升可靠度并降低成本。

然而不论哪个部门,对于物联网资安的疑虑都片刻未减,如何有效防护物联网无线节点的安全,已是产业共同努力的目标。

目前多数物联网无线产品使用的都是Wi-Fi、蓝牙、ZigBee等短距离通讯技术,但长距离通讯的需求也正逐渐兴起。LTE-M蜂巢式网路在此趋势下迅速发展,其中窄频物联网(NB-IoT)可与既有LTE频段结合,而1.4、10及20 MHz频段的LTE-M,则能提供更高的资料传输速率。

多样化的标准选项,对于开发者而言固然是件好事,但也会衍生装置系统间的相互操作性问题。市场最终将会去芜存菁,筛选出最合适的标准。

由于物联网仍在初期发展阶段,多数从业人员都没有太多的物联网相关经验,因此寻找人才成为物联网业者的要务之一,而程式与系统设计师等软体人才,又比硬体更为重要。

第三代合作伙伴计画(3GPP)阵营正着手制定5G无线网路标准细节,并预计于2019~2020年提出定案。

5G系统是由小型蜂巢式基地台(Small Cell)所组成的网路,通讯范围可达100~200公尺,最佳资料传输速率预计可达每秒10GB,而在一般情况下则为每秒100~500MB,延迟小于1毫秒。为提供更高的资料传输速率,电信业者可能会透过通道整合增加频宽,其中也包括了未经授权的5GHz ISM/UNII频段。

5G网路成功的关键,在于是否能大量采用结合了阵列式波束控制(Beam Steering)的多输入多输出(MIMO)技术。波束控制可将天线调整至正确方向,借此提高输出功率及收讯敏感度,并减少附近基地台的干扰。

为推动5G网路尽早上路,初期的5G服务可能会使用固定的无线宽频,并与既有的有线电视、DSL、与光纤宽频形成竞争关系。但在此同时,电信业者还将持续更新4G LTE系统,推动LTE-Advanced Pro(4.5G)网路。由于5G网路在毫米频段的通讯距离较短,因此需要10倍以上的基地台,才能提供与4G网路覆盖范围相当的服务。

测试设备厂商对5G标准的推动做出了相当大的贡献。Anritsu、Keysight、National Instruments、Rohde & Schwarz、Tektronix等业者皆推出了新的仪器或软体,用于5G产品的评估与发展。

在连网车(connected car)方面,除了现有的娱乐资讯、免手动、GPS2导航等常见功能外,有愈来愈多新车都配备了先进驾驶辅助系统(ADAS),以及内建Wi-Fi热点。而美国国家公路交通安全管理局(NHTSA)推动的各项计画,更让连网车辆的发展向前迈进一大步。

V2V、V2I与V2X等新系统,提供了车辆与其他车辆、基础设施沟通的管道,且不需任何人为介入。这类通讯功能预计会以专用短程通讯(DSRC)为技术基础。

DSRC使用802.11p标准。透过DSRC系统,车辆间的资料交换会以基本安全讯息(Basic Safety Message;BSM)形式进行,交换速率可达每秒10次。这些讯息包括了GPS位置、速度、方向等车辆资讯。

除非有够多的车辆都能安装V2V、V2I装置,否则NHTSA所欲达成的安全目标将难以实现。目前NHTSA已提出强制新车安装V2V装置的法规,但尚未宣布新法何时正式上路。目前看来,影响自驾车发展进度的因素,主要为法规与保险问题,而不是技术上的障碍。

DSRC发展的隐忧有二。第一,美国联邦通信委员会(FCC)宣布开放新的Wi-Fi频段,许多人担心这可能会对DSRC的讯号造成干扰;第二,产业界也有人主张以蜂窝式5G网路替代DSRC,如此便不需再设置新的V2I网路。

另一方面,Wi-Fi仍会在各种通讯应用上扮演关键角色。有人预估当前至少有50%的网路连线,都是透过Wi-Fi进行。802.11ac标准的推出,大幅提升了资料传输速率,而即将问世的802.11ax标准,能同时支援多用户的流量传输,预计能让每位用户的平均输出量提升至目前的4倍。

还有另一项称为WiGig的802.11ad标准也相当值得注意。WiGig使用60GHz的ISM频段,可以达到每秒3GB的资料传输,范围可达10公尺。此外,IEEE 802团体也正在发展一项号称速度更快的11ay标准。

随着无线资料传输需求提升,频段空间受到更多限制,有不少新产品都开始往更高频的频段移动,像是行动网路服务便逐渐朝30~300 GHz的毫米波段推进。几年后当毫米波段也变得拥挤不堪时,业者就会持续朝300GHz与红外线间的兆赫波(Terahertz;THz)发展。到了红外线波段,无线电波便会转换成光波。

由于HEMT与HBT电晶体的发展,兆赫波频段的应用已愈来愈可行,然而THz与光线一样,都不能穿透障碍物,且会被氧气吸收,不利于长距离作业。所幸随着新的技术突破不断被提出,THz应用或许指日可待。

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