無線通訊是兩個或更多裝置之間最希望採用的通訊模式 (連線) 之一。在這項技術中透過空中的電磁波來進行資料通訊與傳送,例如無線電頻率、紅外線與衛星, 而非透過電纜或電線。

無線通訊是在名為無線電波的電磁頻譜內的特定頻率 3 Hz 至 3000 GHz (3 THz) 運作。它涵蓋各式各樣的運算與通訊應用,從第三代至第五代 (3G/4G/5G) 行動裝置、寬頻存取、室內 WiFi 網路、車間 (V2V) 系統,一直到嵌入式感測器與無線射頻識別 (RFID) 應用、微波、航空、海事,以及其他商業與私人無線電服務。

由於無線的動態需求,全球依據特定應用與傳輸距離等各種商業導向的需求為基礎,已開發出無線通訊的各種不同方式與標準。這些技術可粗分為四種獨立類別: 無線個人區域網路 (WPAN)、無線區域網路 (WLAN)、無線都會網路 (WMAN),以及無線廣域網路 (WWAN)。顧名思義,這些解決方案在距離與資料傳輸速率方面是針對個人、 區域、都會區或全球的涵蓋範圍與使用。

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RFID

RFID (射頻識別) 可定義為自動識別技術,在附有標籤的物件接近讀取器時,利用射頻電磁場來識別該物件。RFID 技術是一套簡單的方法, 在兩個分別名為讀取器/寫入器和標籤的兩個實體之間交換資料。這項通訊能判斷標籤或附有標籤的物件之相關資訊,並藉此方式更輕鬆管理各

RFID 技術已於許多環境領域內廣泛使用,例如商業、醫療保健業,和製造領域。RFID 提供理想的技術,透過目標所附的簡單低成本天線, 就能追蹤與識別資產。其用於一切事物的識別,從店鋪標籤到車輛追蹤,並能提升供應鏈的分送與可見性,並能在保全情境下進行門禁控管。

有如收音機必須調諧至不同頻率才能收聽不同頻道,RFID 標籤與讀取器必須調諧至相同頻率才能通訊。RFID 採用數種射頻,標籤類型也很多, 各自採用不同的通訊方式與供電來源。RFID 標籤通常具備含有天線的電子晶片,以便將資訊傳送到詢問器 (也稱為基地臺,更常名為讀取器)。 此組件稱為鑲嵌物 (inlay),然後予以封裝,以耐受其運作所在的環境條件。成品就稱為標籤或轉發器。

RFID 被視為是非特定的短距離裝置。它能使用頻段,不需授權。其範圍各自不同,從 1 至 12 公尺,速度是 640 kbps。RFID 必須遵循當地法規 (ETSI、FCC 等),多數國家/地區指定 125 至 134 kHz 頻譜給低頻率 RFID 系統;13.56 MHz 則通常使用於全球的高頻率 RFID 系統。UHF RFID 採用 433 與 860 至 960 MHz,以及 2.45 / 5.8 GHz,屬於超高頻率。

NFC

近距離無線通訊 (NFC) 促成了使用電磁波的相容裝置之間的短距通訊無線技術。利用此項技術,可透過具有功能的裝置進行無接觸式資料交換, 並經由短距點對點接觸保護安全。NFC 使用低資料速率的 13.56 MHz 頻率無線通訊。採 RFID 技術的 NFC 可作為識別通訊協定的媒介, 進行安全資料傳輸的確認。於是使用者能夠執行無接觸交易、存取數位內容,及透過碰觸或靠近而與電子裝置連線。NFC 式標籤會嵌入至信用卡、 智慧型手機和其他穿戴型裝置作各種應用,例如兩支智慧型手機之間的資料交換、無接觸付款、交通票卡、停車出入管理、行動票證、醫療應用, 包括患者追蹤到生物醫學追蹤、資產標記應用及其他許多項目。

該項技術運用電感耦合,讓兩台裝置之間穿越共用磁場傳輸能量。將標籤靠近讀取機時,讀取機的天線線圈磁場會與標籤的天線線圈配對。 標籤內就會產生電壓,接著整流並利用以供電給標籤內部的電路。 讀取機會調節磁場,將資料與該標籤通訊。標籤的電路會改變線圈的負載, 即使讀取機的未調變載體不變,仍能從標籤將資料傳回讀取機。因為相互耦合,所以讀取機能夠偵測得到。此項功能稱為負載調變。

裝有 NFC 晶片的裝置有兩種: 起始 (被動) 裝置和目標 (主動) 裝置。NFC 標籤可為主動與被動。 然而,NFC 讀取機始終是主動裝置。 這些裝置以主動-被動或主動-主動 (對等) 模式運作。這兩種 NFC 裝置在主動-主動模式皆有獨立電源,不過在主動-被動模式下, 被動裝置會從主動裝置的電磁波吸取電力。NFC 的基本通訊模式為半雙工,其中一個 NFC 裝置傳輸,另一個裝置接收。

NFC 的一大優點在於技術上能夠配合現行 RFID 基礎設施、無接觸智慧卡片及 RFID 標籤進行調整。具有 NFC 功能的裝置兩種元件兼備: 主動讀取機與被動詢答機。既能讀取資料,並與接收資料的標籤之間來回寫入,還能直接傳輸至另一個 NFC 裝置。

藍牙

藍牙是依據為可攜式個人裝置短距離連線而設計的射頻系統為基礎的無線通訊標準。它定義完整的通訊堆疊,讓裝置能搜尋彼此, 並告知其提供的服務。藍牙廣泛使用於 WPAN (無線個人區域網路),又名短距無線網路技術。IEEE 802.15.1 標準指定藍牙裝置的操作與架構, 但是操作僅與實體層及媒體存取控制 (MAC) 層有關。通訊協定層和應用程式是由 Bluetooth SIG 予以標準化。使用 FHSS 技術來存取頻道, 訊號速率 1 Mb/s,並採用高斯頻移鍵控 (Gaussian shaped frequency shift keying;GFSK) 調變。

每個使用藍牙的裝置都有一個小型微晶片,能傳送資料與語音訊號。一切典型設置之中,以一個裝置作為主裝置,一或多個裝置作為附屬裝置。 主裝置使用連接管理員軟體辨別其他藍牙裝置,並建立連結以接收與傳送資料。藍牙系統包括通訊協定堆疊、收發器和基頻, 能以幾個裝置建立起一個精巧網路。系統可組成大型分散式網路,包含眾多獨立 Pico 網路和一個互連 Piconet 叢集,稱為 Scatternet。 簡式藍牙系統包含天線、軟體、連結控制,和連結管理。

藍牙裝置採用 2.4 GHz 頻道,這是無需授權的工業科學醫療 (ISM) 頻段,能在相距最遠約 100 公尺的裝置之間建立通訊。 藍牙的主要優點是能同時處理資料和語音傳輸,使得這套創新解決方案能適用於行動免持耳機的語音通話、列印至傳真機功能、 自動同步 PDA、膝上型電腦,以及行動電話的通訊錄應用。

兩種最受歡迎的實作規格是基本速率的「Bluetooth Basic Rate」或增強速率的「Enhanced Data Rate」(BR/EDR),驗證為 2.0/2.1 版,以及低功耗藍牙「Low Energy (LE) Bluetooth」,驗證為 4.0/4.1/4.2/5.0 版。 藍牙 BR/EDR 可建立相當短距的持續無線連線。 因為是 2-3Mbit 的 EDR 資料速率,成為例如串流音訊等使用案例的理想選擇。BLE 能短時間建立長距無線電連線,是物聯網 (IoT) 應用的理想選擇。 藍牙信標使用在室內、活動感測和近接偵測應用。BLE 越來越受愛用,因為各行業紛紛採納應用,例如使用 BLE 信標的資產追蹤解決方案、製造機組、 3D 三角定位系統。

ZigBee

ZigBee 是遵循 IEEE 802.15 的全域通訊標準通訊協定。其建立在 IEEE 標準 802.15.4 內針對低速率 WPAN 訂定的媒體存取控制與實體層之上。 這套無線聯網標準旨在監督並控制應用,其要求資料傳輸量相當低、在 10-100 公尺範圍,並且可能有遠端的電池供電感測器。低功耗相當關鍵。 採用此技術的感測器、照明控制、安全和多種應用適合在隔離位置和嚴酷的無線電環境內運作。ZDO (ZigBee 裝置物件) 可隨時追蹤裝置角色、 管理網路聯結請求,及裝置安全和探索。

系統指定在三個免授權頻段之一當中操作:2.4 GHz、915 MHz 與 868 MHz,2.4 Ghz 的最大資料速率是 250 kbp。在 915 MHz,標準能支援 40 kbps 的最高資料速率;在 868 MHz 則能支援最高 20 kbps 的資料傳輸。ZigBee 支援三種不同的網路拓撲,名為星型、網狀與叢集樹 (cluster tree) 或混合式網路。ZigBee 通訊協定的優點不勝枚舉,例如優異的穩定性、可擴充性,以及自行修復其網狀網路的能力。

ZigBee PRO 是 ZigBee 的一個版本,具備更強大的功能,例如路由技術、網路跳躍、裝置最大數量與網路安全性。若採用 ZigBee PRO 作為強化版本,能為某些應用提供額外功能,同時維持較為簡單的低成本堆疊,並能為不需額外功能的應用而保持較低的耗電量。

ZigBee 技術簡單、可靠、迅速。ZigBee 網路能產生自我組織網路,能容納多個裝置。能建立多頻道通訊,廣泛用於 M2M 和 IoT 業, 例如智慧網格和其他領域的遠端感測。 ZigBee PRO 是一種帶有更佳功能的 ZigBee 版本,例如路由技術、網路安全和網路跳躍。 採行增強的 ZigBee PRO 版本可提供更多應用功能。

WiFi

WiFi (無線相容性認證) 是通用術語,指適用於 WLAN 的 IEEE 802.11 通訊標準。其基於 IEEE 802.11 標準, 使用無線電波提供無線高速網際網路與網路連線。WiFi 是 WiFi Alliance 的商標,因此 Wi-Fi 認證一 詞僅限用於成功通過完整相互操作性認證測試的產品。

與標準無線技術相較,Wi-Fi 速度較快、安全更佳,距離更遠。此區域無線技術可讓電子設備使用 5 GHz SHF ISM 和 2.4 GHz UHF 無線電頻帶交換資料或上線。目前大多數的電子裝置皆有整合 WiFi 介面,例如個人電腦、電玩遊戲主機和智慧型手機等, 能透過一個位點啟用無線網路存取,連線至網路資源 (例如網際網路)。這類存取點 (一般稱為熱點) 距離約為室內 20 公尺, 室外長距許多。所有 WiFi 網路都是爭用為主的 TDD 系統,其中行動基地台與存取點競用同一個頻道。

無線電訊號是促使 WiFi 聯網成為可能的關鍵。WiFi 接收器 (例如行動電話和膝上型電腦) 會提取從 WiFi 天線傳輸的無線電訊號。 接收器配備有 WiFi 卡。WiFi 卡會讀取這些訊號,在網路與使用者之間建立網際網路連線。

存取點,例如路由器和天線,是傳輸和接收無線電波的主要來源。較強的天線傳輸的無線電距離較長,半徑約 300-500 英尺。 因此,可在室外使用。較弱但有效的路由器較適合室內用,無線電傳輸距離為 100-150 英尺。可藉由安裝網際網路連線存取點, 建立 WiFi 熱點。存取點作為基地台使用。具有 WiFi 功能的裝置遇到熱點時,能以無線方式連線到網路。

安全是 WiFi 的一大疑慮,即使有更好的加密系統亦然。加密在 WiFi 屬自發性,定義的方法各不相同。經人倡議以「WiFi Protected Access (WPA)」(WiFi 保護下存取) 作為 802.11i 的部分,並透過韌體升級實作起,WEP 即不再合適。WPA 基礎版本隨附預先共用的鍵值 (WPA-PSK)。供個人用途使用,因此 WPA 無需身份驗證伺服器。WPA-Enterprise 必須使用遠端驗證撥入使用者服務 (RADIUS) 伺服器,並支援許多可延伸的驗證通訊協定 (EAP) 延伸。

WPA2 是 2004 年起批准的 802.11i 標準版本。其類似 WPA,但如為需有 WiFi 認證的產品,強制必須支援 WPA2。WPA3 能增強 WPA/WPA2, 在個人與企業模式下使用 128 位元加密和 192 位元加密。WPA3 能擴增「轉寄密碼」。

行動數據

行動網路的進展是列舉成不同的世代。許多使用者透過行動電話在單一頻段中通訊。行動數據與無線電話是利用無線訊號的兩個裝置範例。 行動電話通常擁有較大規模的網路以提供涵蓋範圍。但是無線電話的距離有限。某些電話類似 GPS 裝置,使用衛星訊號來通訊。

WWAN 是利用隨處行動數據網路資料與網際網路的長距離通訊。WWAN 透過由網際網路服務供應商 (ISP) 負責的多個衛星系統或天線站台, 在廣大的區域如城市或國家中建立通訊。這些系統稱為 2G (第二代) 系統。這些網路因為涵蓋廣大的地理區域,所以需要高成本來部署。 WWAN 包含行動電信行動數據網路,例如長期演進技術 (LTE)、GSM、CDMA 2000、蜂窩數位封包數據 (CDPD) 與 Mobitex,以傳輸資料。

通用行動電信系統 (UMTS) 是第 3 代 (3G) 行動服務系統,用於建立語音通訊與高速資料連線,其中包括存取網際網路、行動資料應用與多媒體內容。 高速下行網路封包存取 (HSDPA) 與高速上行網路封包存取 (HSUPA) 分別屬於 3.5 和 3.75 代的行動系統。HSDPA 處理下行 2Mbit/s 的位元率, 以及上行的 384kbit/s;HSUPA 提供上行 1.45Mbit/s 的資料速率。

4G 行動電信技術為無線數據機、智慧型手機與其他行動系統,提供行動寬頻網際網路存取功能。4G 系統有增強版鍵值服務,例如 HD 影片呼叫、較高頻寬 (BW)、高資料處理量、更佳的 QoS 和串流線上遊戲服務。具有 40 MHz BW 容量,設有 100 Mbps 尖峰速度要求。

5G 是新生的行動網路技術,有高資料速率,也更加省電。 能支援虛擬實境環境,以及超 HD 音訊/影片應用和 10 Gbps 資料速度, 以增強行動雲端服務。5G 依據的標準例如 CDMA (分碼多重進接)、WWWW (全球無線網) 和 BDMA (波束多重存取)。經由通用連線可支援大型雙向頻寬, 資料速率大於 1.0 Gbps,有 3 至 300 Ghz 提議頻譜。 雲端運算與網際網路構成核心網路基礎設施,提供可靠又迅速的通訊服務、IoT、全像攝影通訊、 穿戴型無線裝置、雲端運算、虛擬實境、進階安全線上銀行、行動全 HD TV、遠距醫療、全球漫遊、超級 HD 影片串流,和線上遊戲服務等。 5G 能經由 ML 輔助自動化提振數位體驗。因為要求更瞬時的回應時間 (例:自駕汽車),推動 5G 網路演進含 ML 的自動化,更長遠看來也包括 AI 和深度學習 (DL)。

6G 無線通訊網路預計能提供全球覆蓋、安全、增強的光譜/能源/成本效益,和更佳的智慧水準。6G 網路為滿足這些需求,將倚賴新的驗證技術、 網路切割、雲/霧/邊緣運算,及無蜂巢架構。可補充非地域性網路,例如衛星和無人機 (UAV) 通訊網路。這可帶動形成太空及陸海空整合通訊網路, 包括 6 Ghz 以下、毫米波 (mmWave)、兆赫 (Thz) 和光頻段。

SigFox

Sigfox 適用於行動數據式網路業者,這些業者為低流量的 M2M 與物聯網應用提供訂製的解決方案。它採用極窄頻 (UNB) 技術來連線遠端裝置,並在未授權頻段 (ISM) 中運作。它採用名為二相移位鍵控 (binary phase-shift keying;BPSK) 的標準無線電傳送方法。

許多應用需要這種型態的低成本無線通訊技術。它需要經濟的端點無線電與更複雜的基地台,以便管理網路,主要適合低資料速率應用。 與傳統的行動數據網路如 GSM/CDMA 相較之下,其需要的天線數量少得多。Sigfox 有量身打造的輕量化通訊協定,以處理小訊息。 傳送的資料較少,就意味著能量耗用較少,所以電池續航力就較長。

Sigfox 採用極窄頻調制,在公共且未授權的 200 kHz 頻段操作,在空中交換無線電訊息 (視地區而定;868 至 869 MHz, 以及 902 至 928 MHz)。視地區而定,每則訊息為 100 Hz 寬,以每秒 100 或 600 位元的資料速率來傳輸。因此, 抗雜訊的能力很強,可達成長距離傳輸。裝置與網路之間的傳輸為非同步。裝置會以 3 個不同頻率廣播每一則訊息 3 次 (跳頻)。基地台負責監視頻譜,並尋找需要解調的 UNB 訊號。

Sigfox 網路中基地台的密度在郊區的平均距離約 30 至 50 公里,在障礙物較多、雜訊較大的都市區域,距離可能下降為 3 至 10 公里之間。若是戶外節點,距離會長得多;SIGFOX 聲稱,在視線內的訊息能傳輸達 1000 公里以上。

LoRa

LoRa 無線技術的開發目的,是讓 M2M 與物聯網應用的感測器與致動器能在長距離進行低資料速率通訊。它採用工業科學醫療 (ISM) 頻段中未授權無線電頻譜,在連接網路的遠端感測器與閘道之間,提供低功率的廣域通訊。它使用較寬波段的展頻技術。 其頻率經過調制的連續變頻信號 (chirp),使用編碼增益以提高接收器的靈敏度。

LoRaWAN 是開放原始碼的 LPWAN (低功率廣域網路) 基礎架構通訊協定規格,以 LoRa Alliance 開發的 LoRa 技術為基礎; 允許其他公司依據其技術規格來建立本身的物聯網網路。這套依據標準以建立 LPWAN 的方案,使用雙向安全、 可相互操作且行動式的硬體與軟體,隨處快速建立公共與私有的物聯網網路,提供精確定位,並以您預期的方式運作。

LoRa 網路可以配置為提供類似於行動數據網路的涵蓋範圍。的確,許多 LoRa 業者也是行動數據網路業者,能利用現有的天線桿來安裝 LoRa 天線。在某些案例中,LoRa 天線可以結合行動數據天線,因為頻率可能相近,結合天線能提供重大的成本優勢。 LoRa 的關鍵功能是能涵蓋 15 至 20 公里的長距離,能連接數以百萬計的節點,而且電池壽命可達 10 年以上。LoRa 無線技術的應用包括智慧型儀表、庫存追蹤、自動販賣機、資料與監視、汽車產業,以及可能需要資料報告與控制功能的設施應用。

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