無線通訊
ROHM無線通訊模組取得Wi-SUN JUTA認證
半導體製造商ROHM旗下的無線通訊模組產品,率先取得經WiSUN聯盟認證的全新國際無線通訊規格「Wi-SUN JUTA」,將有利於往後推動靠電池驅動的智慧量表應用。
「Wi-SUN JUTA」是由日本NPO法人Japan Utility Telemetering Association(JUTA)所制定的遙測用無線通訊規格,可對應「U-Bus Air」無線通訊層,並可以進行相互往來通訊。由於此超低功耗無線通訊僅需一顆電池就可以運作超過10年以上,因此最適合運用在靠電池驅動的智慧量表應用。除此之外,也可以活用於監控應用領域等,搭配各種感測器來構築先進且人性化的IoT環境。
ROHM身為Wi-SUN Alliance會員之一,從初期階段開始,即和JUTA會員之一的東京瓦斯株式會社(以下稱東京瓦斯)針對「Wi-SUN JUTA」相關產品及規格制定共同進行研發。2018年11月起即開始量産無線通訊模組,並提供給東京瓦斯使用。在 2019 年5 月正式發表的「Wi-SUN JUTA」無線通訊規格中,也被認定為認證測試用的基準器(Certified Test Bed Unit, CTBU),領先業界率先取得聯盟的認證。
Wi-SUN JUTA藉由自行間隔運作(在固定間隔的訊號傳輸之外,都是處於休眠狀態),儘可能縮短傳輸時間,相較於同為920MHz頻段的特定小電力無線通訊規格Wi-SUN(Wi-SUN Enhanced HAN通常模式),消耗電流可減少達98%以上(Beacon週期每5秒的消耗電流為0.048mA),因此可以讓以電池驅動的智慧瓦斯表或智慧水表運作超過10年以上。
在送信機開始進行通訊時,一般是以低功耗無線通訊進行連續性的傳送動作,Wi-SUN JUTA則是有偵測到Beacon時才會進行傳送動作,其餘時間並不會進行無線訊號傳輸。因此,即使接收裝置數量或通訊次數增加,佔用無線訊號的時間也不會同步增加,有利於進行更安定的通訊傳輸。
具低成本/小尺寸/高可靠度特點 SiP模組有利IoT生態建構
如何因應CE、FCC和其他國家或地區規章制度?管理單一裝置的全球監管認證非常簡單,但如果產品組合包括全球銷售的數十種裝置,那該如何處理?
當公司產品組合中大量的產品開始具有物聯網功能時,工程師們便開始意識到離散設計監管認證管理成為了一種巨大的負擔,對於低成本、小尺寸、高可靠度和預認證模組的需求迅速增加。
標準物聯網裝置數量迅速成長
目前已有成千上萬基於標準物聯網協定的應用裝置,且其數量正在迅速擴展。在不久的未來,要找到沒有使用物聯網的電子裝置將不太容易,幾乎所有裝置都可相互連接,且其整合成本非常合理。因此很多公司不習慣僱用和留任電子/射頻工程師或協定專家,也加入了物聯網革命,雖然在過去他們所開發的產品通常不被視為科技產品。
以建築設備供應商,農業設備和家庭自動化公司為例,公司主要關注機械或非常簡單的電子功能。然而,因應物聯網功能的先進射頻工程並非其核心專有技術,便產生了一個問題:在物聯網時代,這些公司如何有效並且透過合理的投資轉變其產品並滿足兼容性要求?他們的需求是容易實作且容易管理。因此較好的解決方案就是考慮新的系統級封裝(System in package, SiP)模組,以實現上市時間、已認證、尺寸和成本的完美平衡。
物聯網生態系統發展不斷拓展
許多公司正環繞其物聯網裝置形成其生態系統,同時邀請合作夥伴和分包商加入。這些生態系統構建者面臨著互操作性挑戰:裝置是否能夠以最佳性能無縫協同工作?如何確保生態系統中的裝置滿足終端用戶的期望?這些生態系統中一個很好的例子,即建築自動化系統的連接照明,家用電器等。這些公司如何確保物聯網生態系統的成功?
SiP有利於生態系統發展
系統級封裝SiP是先進半導體封裝術語,其中IC與被動元件一起封裝到基底。SiP IoT模組的外觀和感覺與IC/SoC一樣。但與IC不同的是,SiP模組整合了物聯網操作所需的所有功能,其尺寸和規模與SoC相同。換而言之,SiP模組是完全整合、經過系統認證,可用於物聯網功能。
適當的高性能射頻設計並非易事,也不易於確保無線電良好性能的方式實施和管理,但是這又是實現強大功能的關鍵。當設計人員使用完全整合的SiP模組時,就沒有射頻設計負擔。
SiP模組可彈性地被放置在面積小的任何電子裝置中。SiP精美的封裝尺寸具有優勢,可以讓工程師較有彈性地設計裝置的其餘部分。
以Silicon Labs的SiP無線模組為例,該公司將其正在申請專利的天線嵌於基板中,使其可以獲得70%的天線效率;其另一個好處是它們不容易有射頻調整不良的問題,如果真的有問題,簡單的方法即可輕鬆修復它,而無需耗時的射頻工程。70%天線效率無人能及,即使是經驗豐富的射頻工程師也需要大量的時間和測試來設計離散元件的系統。SiP模組已經實現了高性能、小尺寸的目標,這即便透過離散設計都不容易達到。
利用這種精確設計的SiP模組的生態系統將在兼容性、射頻範圍、穩健性、上市時間和已認證方面均具有顯著優勢。
使物聯網裝置有良好的無線傳輸範圍且確保射頻鏈路穩定至關重要,即使在短距離內,射頻設計也必須具有良好的抗干擾能力,而仍能達成高傳輸速率和低功耗。SiP模組為生態系統帶來的另一個巨大好處,是其完整的協定認證,如FCC和CE。這意味著該模組的終端用戶可以使用Silicon Labs的認證,可以不需射頻或協定測試。
舉例來說,Silicon Labs發表了新款藍牙SiP模組BGM13S。該模組基於BG13 DIE,具有藍牙5.0低功耗和包括遠端編碼PHY的藍牙網狀網路(Bluetooth Mesh)。該模組記憶體為512Kb,能夠進行線上更新。它可調整的發射功率提供高達700米的可視傳輸距離,此數據表現相當良好,基於其模組的尺寸僅為6.5× 6.5mm,其中包括了天線,並使用客戶PCB作為天線結構一部分。
這種先進的SiP設計使OEM廠商無需任何射頻工程即可優化射頻範圍。Silicon Labs還將透過使用流行的0.5焊接間距來提高該模組的可製造性。更為寬鬆的焊接間距,使得降低製造這些元件的成本成為可能。
克服多裝置無線聯網挑戰 Wi-Fi 6商機全面啟動
因應無線網路的聯網設備不斷增加,加上高解析度串流媒體影像、社交媒體及雲端應用的迅速普及,Wi-Fi聯盟宣布推出新一代Wi-Fi標準「802.11ax(Wi-Fi 6)」期能在人潮眾多的環境下,為更多使用者提供一致且穩定的資料流,並將使用者密集環境中的每位使用者平均傳輸率提升四倍以上。
為搶攻Wi-Fi 6商機,半導體業者也已開始積極布局,像是高通(Qualcomm)、聯發科、博通(Broadcom)等皆已發表新款Wi-Fi 6晶片;而隨著近日Wi-Fi聯盟宣布Wi-Fi 6相關認證計畫將在2019年第三季上線後,可以想見,在認證計畫上路之後,終端產品的導入速度勢將加快。
多裝置傳輸需求增 WiFi 6應運而生
萬物聯網世代到來,需要使用無線網路的聯網裝置急速增加,再加上高解析度影像、串流媒體、社群媒體、雲端應用服務等快速普及,資料傳輸量大增;進而使無線網路在人潮眾多的環境下,越來越難提供一致的性能和可靠性。
在個人、家庭及企業用戶要求更智慧、更快速和更高頻寬的無線系統的情況下,Wi-Fi聯盟遂提出Wi-Fi 6,希望能在人潮眾多的環境下,為更多使用者提供一致且穩定的資料流,並將使用者密集環境中的每位使用者平均傳輸率提升四倍以上,為家庭在內的應用場域建構更穩定、更順暢的網路環境。
英特爾技術行銷經理盧進忠(圖1)表示,近年來越來越多智慧聯網裝置出現,家中需要Wi-Fi聯網的產品顯著增加,像是智慧音箱、監控攝影機、電視機等。每個裝置所需要的頻寬皆不相同,而由於占據Wi-Fi通道的裝置眾多,因此在傳輸數據時,依照過往802.11ac的規範,在同一時間只能先傳輸其中一部裝置的數據,其他裝置則先等候,因而無法提供穩定、一致的聯網效果。
圖1 英特爾技術行銷經理盧進忠表示,這一兩年出現越來越多智慧聯網裝置,需要Wi-Fi聯網的產品顯著增加,穩定、高效的聯網環境愈顯重要。
羅德史瓦茲(R&S)無線通訊量測事業部業務經理程世豪(圖2)則指出,Wi-Fi標準的演進主要以頻寬和傳輸效能為主。而隨著現今消費者紛紛在社群媒體中上傳、下載影片,加上影片畫質不斷提升,使得因而對於穩定的聯網環境有更殷切的需求,Wi-Fi 6便因此而誕生。
圖2 羅德史瓦茲無線通訊量測事業部業務經理程世豪認為,高畫質影片的傳輸需求,是驅使Wi-Fi 6標準誕生的其中一項因素。
為了在室內、室外以及人口密集區域提供更可靠的性能,並實現更好的終端裝置電池續航力,Wi-Fi 6除了著重於速率與效能的提升(運行於2.4GHz/5GHz),更重要的是,導入了正交分頻多工存取(OFDMA)及上行多用戶多重輸入多重輸出(Uplink MU-MIMO)等全新的傳輸機制。
多使用者MIMO特性,是使用波束成形技術將封包同步導向位於不同空間的使用者。也就是說,AP(Access Point)將為每位使用者計算通道矩陣,然後將同步波束導向不同使用者,而每道波束都會包含適用於所屬目標使用者的特定封包。Wi-Fi 6技術協議則是在上行和下行鏈路都能支援MU-MIMO,如此一來,透過協調機制能使得流量分配更為合理,大幅增加網路容量及效率(圖3)。
圖3 AP使用MU-MIMO波束成形服務位於不同空間位置的多使用者。
圖片來源:NI
根據國家儀器(NI)資料指出,Wi-Fi 6每次最多可傳送8個多使用者MIMO傳輸,遠高於802.11ac的4個。此外,每個MU-MIMO傳輸都具備專屬的調變與編碼組合(MCS)以及不同數量的空間串流。舉例而言,使用MU-MIMO空間多工時,AP的角色就等同於乙太網路交換器,能減少自大型電腦網路至單一連接埠的網域衝突。
而為了讓相同通道頻寬的更多使用者進行多工,Wi-Fi 6使用802.11ac的正交頻分多工(OFDM)數位調變架構為基礎,加入OFDMA機制。此一機制會將特定子載波集進一步指派給個別使用者,這表示,它會使用數量已預先定義的子載波,將現有的802.11通道(20、40、80與160MHz)劃分成較小的子通道。此外,802.11ax標準也仿效現代化的LTE專有名詞,將最小的子通道稱為「資源單位(RU)」,而當中至少包含26個子載波。
AP會根據多使用者的流量需求來判斷如何配置通道,持續指派下鏈中所有可用的RU。它可能會將整個通道一次配置給一名使用者(如同現行的802.11ac),也有可能將通道進行分配,以便同時服務多使用者(圖4)。
圖4 單一使用者使用通道,與使用OFDMA多工相同通道中的不同使用者。
圖片來源:NI
羅德史瓦茲應用工程部資深應用工程師鍾曜鴻(圖5)說明,導入OFDMA調變機制後,能支援更多用戶同時在同一通道中運行,進而提升Wi-Fi的傳輸效率與傳輸量,並降低延遲性。除此之外,802.11ax還可支援更高的QAM調變階次,搭配1024-QAM提供新的調變與編碼組合(MCS 10、11),實現比802.11ac高25%的傳輸量;並且提供更大的OFDM FFT、更窄的子載波間距及更長的符碼時間。
圖5 羅德史瓦茲應用工程部資深應用工程師鍾曜鴻說明,OFDMA能支援更多用戶同時在同一通道中運行,提升Wi-Fi的傳輸效率,滿足多裝置聯網的需求。
盧進忠則指出,簡而言之,Wi-Fi 6的重點並不在於提升傳輸速度,而是強調傳輸的效率和穩定度,依據不同的數據量切割封包、安排傳輸通道等,進而讓所有的裝置都能順利地上傳、下載資料,實現高效率的傳輸結果。也因此,可以說Wi-Fi 6是個很大的革新,因為過往的Wi-Fi標準在制定時都是從電腦連網的需求進行討論,因過往的聯網裝置不多,大概就是筆記型電腦、桌上型電腦,再加上手機。然而,隨著智慧聯網裝置越來越多,以往的Wi-Fi標準已逐漸無法負荷,因此,便制訂出了802.11ax的規範,以滿足多裝置聯網的需求。
WiFi 6商機起 晶片出貨量將起飛
因應無線網路的聯網設備不斷增加,加上高解析度串流媒體影像、社交媒體及雲端應用的迅速普及,Wi-Fi聯盟宣布推出Wi-Fi 6,其商用腳步也全面啟動。
研究機構ABI資深分析師Andrew Zignani指出,無線通訊的裝置越來越多,流量也不斷提升,一個無線AP要支援的用戶也持續增加,因而增加蜂巢式網路負載。此外,Wi-Fi網路布建密度提升、無線通訊戶外連線需求漸增的趨勢,加上應用對於無線通訊技術的功率與頻譜效率要求越來越高,這些都是催生Wi-Fi 6的因素。
Zignani又進一步說明,Wi-Fi 6在高人口密度環境中具備更強的傳輸效能,將對企業應用與整個連網市場產生強大的吸引力。因此,比起Wi-Fi...