Wi-SUN技術應用在智慧電錶之優勢



2020 年 5 月 20 日 - 低功耗廣域網路(Low Power Wide Area Network;縮寫LPWAN)是為了因應物聯網遠距離通訊需求而產生的技術,具有高覆蓋、低功耗和廣域連接等特性,其中Wi-SUN、LoRa、NB-IoT是近年來比較常被提到的LPWAN技術。本文將針對這三種技術的特性逐一比較。

首先,簡單介紹Wi-SUN。Wi-SUN聯盟成立於2012年,是一個由業界公司組成的全球非營利性組織,全球會員250家以上,包括Cisco思科、ARM安謀 、Itron埃創、東京電力公司、貴州濎通物聯技術有限公司(簡稱濎通)、海興電力、深圳長城開發、銀河電力、寧波三星電器、利爾達、浙江方大智控、中慧微電子、思達儀錶等。Wi-SUN聯盟的使命是利用開放式全球標準IEEE 802.15.4g(智慧公用網絡的無線標準規範),致力推動智慧電網以及智慧城市應用的發展性。

2018年10月,Wi-SUN聯盟宣佈推出戶外區域網路Wi-SUN FAN(Field Area Network)認證計畫,認證通信產品的互通性,計畫所認證的設備可被用於智慧公用事業、智慧城市和其他物聯網項目的廣域大規模戶外網路。Wi-SUN FAN的應用主要面向於大型場域中的設施,如智慧電網、智慧路燈等,讓公共設施連網到相同場域網路並實現互通性。Wi-SUN FAN認證計畫由Wi-SUN聯盟主導,為大規模的戶外網路提供通信基礎設施,可實現穩定、高性能且低功耗的長距離網路。


Mesh網狀組網

根據中國科學院上海微系統與資訊技術研究所周明拓博士從無線傳輸技術的角度發表「LPWAN低功耗廣域網路技術比較:Wi-SUN、LoRaWAN、NB-IoT」演講中整理了一個此三種技術的比較表,

Wi-SUN LoRaWAN NB-IoT
拓樸/覆蓋 Mesh
網狀網
多跳
Star
星型
單跳
Star
星型
單跳
速率 Up to 300Kbps Up to 62.5Kbps Up to 250Kbps
延遲 0.02-1 second 1-16 second 2-10 second
主要調製 FSK Chirp Spectrum QPSK/OFDM
聯盟/生態 Wi-SUN+符合性/互連接/認證測試
免費
LoRaWAN+Semtech+運營商
免費/收費
3GPP+運營商
收費

由上表中我們可以發現Wi-SUN技術與LoRaWAN與NB-IoT之主要不同在於其Mesh網狀網路,另兩者的網路都屬於Star星型網路。Mesh網狀網路的優勢在於傳輸的總距離較長,每個節點的功率較低,多路徑以實現更穩定的通信品質。Wi-SUN採用Mesh組網方式,最大可跳23級,提升了網路的覆蓋距離與範圍,如果以單跳距離在空曠區域1公里以上的通訊距離來算,整個網路覆蓋範圍可達20公里。

Wi-SUN甚至具優異的抗干擾能力,因為其具有主動亂數跳頻(channel hopping)機制,對於環境中的各種雜訊干擾提供了一個良好的閃避機制,同時也讓頻道的使用更有效率。

基此,Wi-SUN的Mesh網狀網路具備自動組網(self-organizing network)與自愈修復(self-healing)功能,應用在實際的安裝環境中,自動組網能讓每個設備都與其鄰居連接和合作,隨著更多設備添加,網狀網路變得更強大和更有彈性,新添加設備時,會自動找其鄰居,以找到更多可靠連接。而自愈修復功能則發揮在停電中斷,端點將自動找到備用路徑;網路如發生變化(如新增建築物),網路會自動回應等。


企業級資安防護

物聯網時代存在著每一連網設備都是資安洩漏節點的問題,Wi-SUN技術的第二個優勢即是提供企業級資安防護。在物聯網中採用IP技術需要大量的IP位址資源,歐洲網路協調中心(RIPE NCC)在2019年11月26日發佈訊息公告 IPv4全球所有43億個位址已全部分配完畢。IPv6 (Internet Protocol version 6) 是取而代之的下一代互聯網協議,IPv6能夠提供足夠的地址資源,滿足點到點的通信和管理需求,同時提供位址自動配置功能和移動性管理機制,同時可識別網路上的設備,方便網路管理者隨時找到它們,便於部署節點。

Wi-SUN FAN特性是支援IPv6協定,能實現基於IP的設備身份驗證與加密通信,每個節點都儲存一個受信任的加密數位憑證,用以證明節點確實被授權與網路上的其他設備通信,嚴格的檢驗流程可確保網路不被駭客蓄意安插節點,或者設備沒有被人為篡改或安裝惡意軟體,有效提升網路安全性。

Wi-SUN FAN擁有完整的協定棧,它運用強大的AES(Advanced Encryption Standard)連結層安全功能提供封包加密,並且運用IETF EAP-TLS做入網認證,及以IEEE 802.11i做金鑰管理,這意味著Wi-SUN FAN網狀網路的每個節點不僅有訊息加密和真實性檢查,而且在入網前還需進行身份驗證。


長距離傳輸:10公里,50kbs

Wi-SUN的實體層單跳傳輸距離,根據實測結果為基礎,再運用Friis Equation推估,在傳送端天線距地10公尺的情況下可傳輸至10公里(50kbs);濎通在空曠海岸線,以其Wi-SUN解決方案,在傳送端天線距地3公尺,接收端天線距地2公尺情況下實際測試,傳收距離1.55公里實際測試,通訊穩定,link budget 尚餘15dB ,可拉至更遠距離。


可擴展性,Wi-SUN可相容數百萬台設備

在布建智慧電錶時,可擴展性也是一重大考慮因素,只有Wi-SUN因為推出基於公開標準IEEE 802.15.4g™、IETF IPv6 協議的Wi-SUN FAN認證機制,使得所有經過Wi-SUN FAN認證的產品接能進行互聯互通、擴展網路規模。

LoRaWAN在初始網路布建時進行擴展可能需要增加新的閘道,或者在一開始就過度配置網路設備因而付出過多潛在成本。此外,在人口密集城市環境中,眾多LoRaWAN周邊設備將互相干擾。

相較之下,電信營運商推廣時程是採用NB-IoT的最大限制因素。客戶必須等待網域覆蓋完成,且參照先前3G和4G的經驗,推廣時程可能會很緩慢且網域覆蓋範圍不完整。


OTA遠程升級

Wi-SUN FAN由於傳輸速率高可支援OTA(over the air)遠端軟體、韌體升級,減少現場維護工作;亦可遠程診斷,和預測性維護,降低營運成本。

相較之下,LoRa則較不易進行OTA遠端韌體更新。


濎通Wi-SUN無線傳輸晶片介紹

物聯網、智慧電網通信晶片設計公司濎通,致力擴展其Wi-SUN FAN 網路規模、可靠性和可擴展性,以滿足智慧電網和物聯網市場的需求。

濎通是Wi-SUN系統單晶片和網路軟體設計的領導廠商,其產品VC7300已經獲得Wi-SUN FAN認證,包括FAN PHY、FAN Router、FAN Border Router(Wi-SUN FAN產品出貨必須具備的三種認證),能實現基於Wi-SUN FAN的千點以上自動組網,同時能與其他Wi-SUN FAN認證設備互聯互通,協助客戶的通訊模組、智慧閘道與終端產品快速取得Wi-SUN FAN認證,導入市場。

濎通的Wi-SUN無線解決方案能夠支援 Wi-SUN FAN 1.0規範,並能與其他Wi-SUN FAN認證設備實現連接和交交互操作,應用領域包括計量表、路燈、智慧城市、公用事業和物聯網網路中的感測器等。

濎通VC7300系列的主要特性和優點:

 遠端和長距離 - 單跳端到端視線傳輸距離大於10km (資料速率50kbps); 多跳網路傳輸距離大於數十km (最高資料速率可達300kbps)。

 可擴展性 - IPv6/ 6LowPAN 增強了感測器網路的可擴展性和移動性。

 強大的安全性 - 從雲端到終端的 5 級企業級安全機制

 遠端韌體升級 - 雙向通訊互動、互聯互通

 自組網/自修復網路 – 千點以上網狀節點自我調整連網分級拓樸。

 干擾容差 - 通道跳頻,出色的選擇性,對抗敏感干擾具有高度抗性。

 載波偏移容差 - 在大載波頻率漂移時性能非常穩定。

 認證和互通性 - Wi-SUN FAN

 低延遲/快速回應 - Sub-GHz RF 的延遲小於 20ms

 省電模式 - 睡眠模式下功耗小於 2uA,在物聯網設計中電池壽命長達 15年以上。


濎通行銷業務副總裁鐘傑輝表示濎通的第一代無線通訊單晶片VC7300 無線解決方案已獲得 Wi-SUN FAN 1.0 認證,並成功整合至模組、終端產品中進行互聯互通。VC7300使用FSK調製技術,傳輸速率達到300 kbps。濎通持續深化Wi-SUN FAN技術能量,率先業界推出新一代Wireless SoC VC7351,工程樣片已實現IEEE802.15.4x 最高的2.4 Mbps Sub-GHz OFDM實體層速度,最高私有通迅速率可達3.6 Mbps,成為傳送速率最快的微功率無線Sub-GHz OFDM SoC,並可支援Wi-SUN FAN廣域網路絡,在Sub-GHz無線ISM頻段中具領先地位,是物聯網網路和傳感應用的完美解決方案。。

關於濎通科技股份有限公司

濎通科技股份有限公司成立於2017年,是一家長距離、大規模、自動組網的物聯網通信晶片與軟體設計公司,為智慧能源、智慧城市、智慧住宅、智慧傳感市場應用提供了高可靠、低成本、低功耗的無線Wi-SUN、高中低速有線 PLC與無線有線融合雙模通信方案,目標成為廣域大規模物聯網通訊晶片與組網軟體解決方案的領航者。




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