作者：Paul Rako，技術編輯，EDN雜誌
無線的機器對機器介面代表著電腦發展的第三波。第一波是企業電腦、昂貴的主機以及只有最大的企業才買得起的超級電腦。這一階段出現在上世紀的六十和七十年代。第二波的電腦浪潮始於1981 年，當時IBM 推出了個人電腦。這一時期為上世紀的八十和九十年代。新禧千年帶來了第三波的電腦浪潮。在此期間成本降低、新技術不斷湧現，使電腦中採用嵌入式處理器及無線通信像烤箱一樣普及。這些處理器獨立工作時可提供特定的功用，但當它們在沒有人力介入而彼此間可以相互傳送訊息時，則可提供更大的作用。隨著小型平價電腦的發展，無線技術也應運而生。無線蜂窩行動電話技術的出現，帶領著這些進步的發展。這些技術包括用於手機的無線網路和增長迅速的無線熱點（Wi-Fi- hot-spot）現象（圖1）。
圖 1
無線熱點越來越普遍，在許多城鎮的道路兩旁都可以發現到它們的蹤影（感謝WiGLE.net提供本圖）。
儘管機器對機器（machine to machine，M2M）成了當今行銷領域中時髦的專業術語，但無線M2M 技術的前身早在十年前就出現了。“telemetry”（遙測技術）是一個已經不為人們所感興趣的術語。早期的太空計畫使用無線遙測技術將資料從太空船傳送到NASA，並將控制信號再傳回太空船，所有過程都不需要人力的介入。軍用頻率的分配方便NASA的工作。較高的功率級別確保了可靠的通信。最近，設計人員將太空遙測技術應用於車輛中，如F1賽車。車載電腦可以從車輛上將資料傳送到賽車跑道旁的電腦中，後者可自動調節空氣燃料比和其他參數，使賽車達到最佳的性能。其他無線網路應用包括在當自動販賣機缺少貨物或需要維護時，用其內部可以“call home” 的手機向管理中心報告情況。在汽車領域，術語 “telematics”（車用資通訊系統）則取代這個過時的術語“telemetry。”Telematics 涵蓋了娛樂、導航及緊急情況使用。General Motors 是此一概念的開拓者，並發展出其OnStar服務。OnStar包括了一具有汽車娛樂和導航系統的功能強大之行動電話。可即時下載交通路況報告，可以讓使用者通報緊急狀況或請求援助。由於手機從汽車電池接收電源，且天線不需安裝到較小的手機上，而使得系統的連接能力超出了手機連接的能力。
因為M2M 無線網路代表著幾個新興技術間的融合，如展頻無線（spread-spectrum wireless）、嵌入式處理器、網路路由協定，以及很多其他在市場上大肆宣傳的新技術。這些新技術宣稱利用無線網路可實現電燈開關與冰箱間的通信。這種技術為M2M預期發展的結果。Internet 先驅Tim Berners-Lee 曾經指出：“機器能夠分析所有Web上的資料，包括：內容、鏈結、及人與電腦間的交易。一個可以實現此目標的語義網（“Semantic Web”）還未出現。但當其真正出現時，透過與機器對話就可處理常見的交易、必須做的繁瑣事項、以及我們的日常生活，人只要提供靈感和判斷就可以了”（參考文獻1）。此一論點的範圍和觀念鞏固了Berners-Lee作為天才和卓越思想家的地位。問題是無人知道，什麼是無線M2M 網路的殺手級應用（killer application）？儘管Berners-Lee和其他人並不擔心這個問題，但在無線連接機器的構想與設法改進來實現此一目標的過程中，還有很多尚未解決的問題。
未來主義者及權威人士預想了一個M2M網路，其中機器連接到Internet上。這種情況的問題是它要求嵌入式系統機器中不但要有無線模組，而且要有針對傳輸控制協定/網際網路協定（Transmission Control Protocol/Internet Protocol，TCP/IP）的協定堆疊和硬體。這種情況會造成一些問題：分配IP 位址給所有這些器件，然後提供網功能變數名稱稱伺服器（domain-name server，DNS）或其他方式來尋找及使帠o些器件。Panasonic 利用該公司經營的伺服器的hard-IP 位址來構建其網路照相機（network camera）。如果你買了該照相機，就可以透過瀏覽器進入該網址，伺服器可在照相機和你的瀏覽器之間建立路由。這種方法充其量是有點笨拙。某些研究人員提出一種方案，即隨機地將IP 位址分配給各設備（參考文獻1）。他們指出，IPv6 （IP 版本 6） 提供了2128 個地址，足夠在每平方公尺的地面上放進6.6×1023 個器件。
規模較大的無線M2M 網路可在Web中作為子網路，通常沒有路由或IP。要從Web 獲取資料到子網中，需要安裝路由器和閘道。所有這些現實情況都有悖於每個無線 M2M網路結點價格都將低於2美元、且都能連接到Web的宣傳。本身就是發展完善的電腦、路由器和閘道會抵消任何網路結點的低成本優勢。就在幾年前，人們還認為藍牙會取代小轎車、桌面及工作臺上的所有纜線。但實際上，藍牙作為一種無線耳機支援技術，還是有兩個尾巴，即從你的腰帶連到耳朵上。無線網路的現狀包括高階協定（high-level protocol）的撰寫與標準化之成本居高不下，而這些工作則可以讓這些器件尋找與連接到其他器件。當工程師達到該目標後，他們認識到這些器件需要安全性，不然任何人都可窺探你的PDA 或手機。任何宣稱是特別的（ad hoc）或自我安排（self-arranging） 的無線M2M 系統號都必須處理好這些問題。這些令人好奇的實驗室新鮮玩意，對於只出於純粹的破壞慾而破壞你的資料的青少年，並沒有多大的用途。
讓我們來看看M2M 無線網路的優點與缺點。M2M無線器件現在不是使用原有的手機網路或新興的ISM 網路，就是使用800-MHz、900-MHz、及2.4-GHz 波段。在不久的將來，運行在10到20-GHz的授權波段及未授權的2到11-GHz 波段的WiMax 網路，將會是主要的趨勢。手機和電腦產業的巨擘，如 Intel，也在注意50 到200 MHz的類比TV頻寬。這些波段的低頻可以讓器件以較低的功耗增大信號傳播距離，而且不論風雨，都不會影響其接收效果。儘管WiMax正在成長，但畢竟還只是未來的技術。如今兩種佔優勢的無線技術為手機與IEEE 802-style 的ISM技術。
手機網路有傳播距離長和部署廣泛的優勢。許多現場應用工程師很難找到無線IEEE 802 的熱點，但公司給他們Verizon 和AT&T PC 卡後，就可以透過手機系統連接到Web。他們就可以從美國的任何地點檢查並傳送電子郵件。使用手機網路的M2M 網路也會有相同的優勢。結果，行動和遠端應用，如OnStar 和長途運輸車隊，透過把全球定位系統（GPS）接收機加進到無線模組上來監測車輛位置，這對基於蜂窩的連接有吸引力。此一特性可以幫助車隊主人分析路線，並有監測能力來檢查駕駛人員的行為。同樣地，一座橋的結構可利用感測器來監測其應力、流量及降級等。這些感測器可連接到維護與公路控制電腦系統，當發生地震或事故，如損壞結構時，可提供緊急情況警告。這些基於手機的系統的成本高，且功耗大。無線模組的成本由於消費者手機的普及而迅速下降。但使用網路的成本仍然很高，由於電訊公司掠奪性的定價模式：按連接或分鐘收費，而M2M 系統一般只需傳送幾個位元組的資料。
另一種IEEE 802類型的M2M 網路，在歐洲以類似ISM 的800 MHz 頻率工作，在美國則為900 MHz，在全球為2.4 GHz （圖2）。另外，專有網路可在其他波段工作，如遙控車庫的大門和遙控車鎖使用的434 MHz，及可用來進行更可靠通信的醫療波段等。這類網路中我們最熟悉的標準為ZigBee。它使用標準化的協定，可以採用體積較小的電池來進行器件間的通信。某些ZigBee 支持者宣稱電池採用具有10 年壽命的技術，但五年或二年的壽命更為實際。這些網路最大的問題是干擾與電池壽命問題。由於2.4 GHz 為未授權的波段，對在同一區域內可使用多少發射器並沒有限制（圖3）。還有些ZigBee 支持者宣稱有幾種802類型的網路可以共存，但網路的成功也是他們的失敗。如果世界充滿了 2.4GHz 的發射器，有效的通信半徑就會縮短到幾英尺，即使如此，這種技術也會嚴重影響到資料傳輸速率。EDN 資深技術編輯Brian Dipert 在測試無線話筒時指出了這種現象（參考文獻2）。使用無線話筒會造成802.11 無線Wi-Fi （無線高保真） LAN 停止工作或僅能達到50% 連接的資料速率。
圖 2
無線器件可在2.4 GHz的頻率上在全球任何地方工作。而其他波段都會受到地理的限制（感謝Texas Instruments提供本圖）。
圖 3
紐約市內的 Wireless 802.11 熱點彼此距離非常近，會相互發生干擾（感謝WiGLE.net提供本圖）。
儘管擔心干擾的問題，某些成功的M2M 應用還是採用了這些ISM 無線協定。Verifone的銷售終端（POS）使用Connect One的iChip IP-controller 晶片，無線LAN可連接到信用卡公司來授權一項購買行為。好處是加快了交易速度。嵌入式數據機需要很多秒的時間才能撥通一組電話號碼、建立通信、建立加密，獲得一個16 位數的信用卡號碼。無線系統可以更快的速度來執行這些任務，不需要將電話線路或乙太網路連接到收銀機。因為它們使用網路連接，所有大型商場中的收銀機可同時存取信用卡授權伺服器，而不必等待空閒的線路。這種技術非常適合在需要快速支付的場合中使用，例如速食（fast-food）櫃檯及地鐵售票亭。在這些情況下，收銀機都有IP 位址，並連接到Internet。
將器件直接連接到Internet 並非一定是必要的。ZigBee的支持者正在將數以十計、百計甚至上千個感測器連接到一個中央結點（central node）或協調器（coordinator）上。如果需要從Internet傳送或接收資料，可以安裝一個閘道。儘管ZigBee 網路並不是常規的子網路，並使用封包（packet）路由及其他複雜技術來將資料路由到同類器件中及中央協調器。傳統的ZigBee 應用為供暖/通風/空調（heating/ventilation/air conditioning，HVAC）和建築物中的照明控制，以及工廠或現場的資料獲取。一個巧妙的應用是將ZigBee 結點嵌入到道路中的反射凸點上（圖4）。這些結點可以即時地監測並報告停車場的利用情況，可以讓擷取資料來進行判斷人們是否把錢繳進停車收費錶中了（參考文獻3）。儘管某些工業參與者將RFID 方案納入無線M2M 網路，但還是有一些其他人把該項技術視為是一個特殊的市場。
圖 4
Streetline Networks 將無線檢測安裝在停車凸點（parking bump）中，以便來檢測車輛的出現（a）。它可檢查停車收費錶的工作情況，並引導駕駛員將車開到空車位（b） （感謝Streetline Networks提供本圖）。
要更瞭解無線 M2M 網路的特性與缺點，切記類比設計原則應用在兩個關鍵領域：實際無線通信網路與高級系統設計。在這方面，不能迷信所有行銷人員的宣傳，而期望你的系統會達到那種水準。高速CMOS 的發展使 2 美元的無線電可行，但那是ZigBee類型的 802.15.4 無線電，而不是能使用手機網路的無線電。而且，如果想要在Internet上使用無線器件，必須購買足夠容納TCP/IP 堆疊的處理器，還要提供一種分配與路由IP 地址的方法。廠商也很關心如何延長電池壽命。無線器件在網狀網路中將資料從終端器件傳送到網狀網路的周邊。該功能會對越靠近網狀網路中心的器件的電池壽命產生影響。另外，特殊的網路必須要使用大量的資源來確定及整合新的器件到網路中。如果器件不能在已有的網狀網路路徑中路由，必須要進行協調，並建立一條新的路徑。這些工作用盡了電池資源。雖然情況不妙，但電池使用不需要在整個網路內保持一致，即某些器件會比其他器件更快更換電池。或者使用者會放棄部分放電的電池，因為系統維護步驟會依照最嚴重的器件電池消耗情況，來要求在定期的間隔中更換網狀網路中的所有電池。
此外，ZigBee 網路器件在全球波段的2.4GHz 上工作，能以240 kbps的速率傳送資料，那些使用915MHz 的美國 ISM 波段速度為40 kbps，使用868MHz 的歐洲ISM 波段速度只達到20 kbps。因此，儘管你想要將器件移出擁擠的2.4GHz 波段來工作，但較慢的資料速率會縮短電池的壽命。
手機無線網路雖然可以提供“無所不在”的連接，但不能提供“永遠即時地連接”。一個可靠的連接也許會使用專有網路和頻率，意味著就不能利用低成本的 ZigBee設計協定。智慧的自我復原（self-healing）器件構成了也許不是最昂貴的特殊網路。干擾、網路拓撲結構與器件協定等因素等，都會對電池壽命有不良的影響。
壞的消息
展頻技術並不能帶來無限可用的頻寬。這些技術讓發射器要共用頻寬，但每增加一個發射器都會降低其他發射器的資料速率和傳輸範圍。如果所有的發射器使用相同的協定，則對兩者都會有影響。2.4GHz ISM 波段提供了有力的例子，說明瞭干擾如何使所有的器件在其波段上無法工作（參考文獻4）。不用授權的 ISM 波段在設計上就包括了干擾源。這些未授權的2.4GHz 波段的開發人員進行這種設計，是因為微波爐的磁控管（magnetron tube）是在此一頻率上工作。這些微波爐對無線干擾會有較小、但卻可測量得出來的影響。更麻煩的是，傳導熱量和閃閃發亮的硫照明會在此一波段中提供更多與通信無關的干擾。這些干擾源備受關注，但是獲得可以在2.4-GHz 波段上使用的應用是如此地多，以致於某些地區中的連接正變得越來越不穩定，因為聯邦通信委員會（FCC）和其他管理機構也准許了許多的協定。這些協定包括藍牙協定採用的FHSS（跳頻展頻技術）。女影星兼通信技術發明人Hedy Lamarr 在彈奏自動演奏的鋼琴（player piano）時，發明瞭跳頻無線電技術（圖5 和參考文獻 5）。在二次大戰期間，她認為秘密的無線通信能在戰爭中獲得應用。她覺得接收機可以像發射器一樣跳到不同的頻率，正如她的手指可以敲擊到自動演奏鋼琴捲帶（player-piano roll）所剛敲擊過的鍵盤。這種認識實現了無線器件間的相互通信，並可防止竊聽。
圖 5
女影星 Hedy Lamarr 在1942年發明並獲得專利的跳頻展頻無線電技術
（感謝Mischief Films提供本圖）。
藍牙協定將83 MHz寬的2.4GHz ISM 波段分成79 個1MHz 的片斷。藍牙器件可在32 個頻率間以最大為1600 hops/sec的速率跳躍。兩個並列的藍牙器件互相干擾的機會只有1/79 了。當這種情況出現時，高階協定要求系統重新發送遺失的資料封包。如果藍牙器件跳到ZigBee 或Wi-Fi LAN的頻率中，就會干擾到這些器件。
使用者對頻寬無法滿足的需求，帶動了能提供11-Mbps 速度的802.11b 標準之發展。這些系統使用直接序列展頻（digital-sequence-spread-spectrum，DSSS）技術，其中無線電使用的是83-MHz 到2.4-GHz ISM 波段中的22 MHz 。偽隨機二進制序列（pseudorandom-binary-sequence，PRBS）相位在該波段中調變頻率。與FHSS不同的是，DSSS 繼續移動（shift）而不是在離散的頻率上跳躍（hop）。 手機實施DSSS 可以讓多個發射器在相同的波段工作。可惜的是，Wi-Fi LAN使用的11 位元Barker 代碼提供了的代碼增益不夠，而無法使用分碼多重擷取技術（code-division multiple access， CDMA），儘管高階協定實施了載波感測多重存取（carrier-sense multiple access，CSMA）。發射器檢測其他發射器等待的時間，直到通道安靜後，才會開始傳輸。802.11b的頻寬分別只允許三個到四個的器件，在那些受 FCC 和歐洲標準約束的國家同時運行。如果有最大數量的器件在工作，就會出現對藍牙、WirelessUSB、無線電話和ZigBee 的干擾。
無線USB 可以是在3 GHz 及更高頻率上的寬頻無線電，但Cypress Semiconductor 還開發了2.4GHz的WirelessUSB 標準。像藍牙一樣，這種標準將2.4GHz 波段分成了79 個1MHz 寬的頻段，Cypress 使用DSSS 而不是FHSS 來調變信號。它的連接並不會在79 個頻段上跳躍，而是固定在一個頻段上工作。一個實施相關的問題是捷頻（frequency-agile），也就是說，如果不能在一個頻率上建立或維持良好的連接，就會跳到其他不同的頻率。WirelessUSB 的開發人員以替代纜線為目標，它具有較低資料速率的人機介面裝置（human-interface device，HID）。2.4GHz ZigBee 協定將該波段分成16 個3MHz 寬的通道，每隔5 MHz 就有一個。它採用DSSS 來調變信號，並不在16 個通道間跳躍，也不提供頻率捷變。無線電話和嬰兒監視器使用2.4GHz ISM 頻率。無線電話可使用FHSS 或DSSS。他們一般將2.4GHz 波段分成10 到20 個通道。電話很少有頻率捷變，但可以讓使用者選擇一個工作通道，以避免雜訊。
圖6 顯示了2.4-GHz 波段的所有無線電和協定。如果將頻譜當作一個生態系統，可以將Wi-Fi 無線網路視為位於食物鏈上層的獅子。它們佔用了大量的頻寬，在忙碌時會吞沒該區域的其他信號。藍牙器件像昆蟲一樣，在這79 個1MHz 的波段間遊走。他們到處遊蕩並且在不確定的時間出現，取決於那個路過而帶有耳機的人。如果藍牙器件是昆蟲，則ZigBee 就像土撥鼠，不時抬起頭來看看春天是否到來了。它佔用波段的較寬部分，但使用的情況並不頻繁。由於土撥鼠並不敏捷，所以其洞穴總是在相同的頻率。 Cypress WirelessUSB 就像鬣狗，是一個敏捷的狩獵者，總是在找一個清晰的頻率來工作。一旦它發現到了這樣的頻率，就會停留在那裏，連續地傳送出低速率的資訊。此一生態系統中的最大問題是無線電話。無線電話就像老虎，可以吞掉一切生物。他們傳送強大的信號，淹沒了叢林中所有的其他動物。因此，幾個Wi-Fi LAN 生產商建議客戶不要使用無線電話。未授權的2.4GHz 波段並不是沒有人管理的，FCC 只確定了其電源等級。DSSS 與FHSS 調變方案的混合會對兩種型態的器件帶來某些問題。
圖 6
2.4-GHz ISM 波段有不能共存或互相干擾的許多無線電標準。其中有 11 個 Wi-Fi 波段，但只有3個不會相互干擾。 Wi-Fi 使用的DSSS 調變代碼不能防止其他在相同頻率上工作的 Wi-Fi 發射器之干擾。
兩項緩和因素為此帶來希望：位置與某些無線器件不常使用的傳輸。即使能量較低的藍牙發射器也比 20 碼遠的無線LAN功率大。工程師Dust Networks 正努力克服這些缺點。Dust 並不能嚴格地實現ZigBee 標準，因為該公司提供了頻率捷變，Dust的器件可跳到不同的ZigBee 頻率以獲得一個清晰的通道。Texas Instruments 也作了類似的努力。該公司在2005 年併購了ZigBee 的先驅者 Chipcon。TI的新 ZigBee 發射器能以比ZigBee 規範所要求的更高敏感度和選擇性（selectivity）來擴充無線電傳播的範圍和抵抗任何干擾。另一種方式是使用一個使用不太擁擠的波段。所有 ZigBee 廠商的器件都可以在800 和900-MHz 波段上工作，而不是擁擠的2.4-GHz 波段。較低的頻率可提高傳播範圍。Zarlink 為ZL70101 提供了不可移植的無線電晶片，使用400 到405MHz 的植入式醫療通訊服務（Medical Implant Communication Service，MICS）波段。器件以媒體存取控制（media-access control，MAC）提供800 kbps 的資料速度，其中包括銳德所羅門編碼（Reed-Solomon-encoding）的正向錯誤校正（forward-error- correction，FEC）和循環冗餘檢查（cyclic-redundancy-check，CRC）之錯誤檢測和重新傳送，以實現可靠的資料連結。
一家創新的企業發現構建光控（lighting-control）產品的市場比ZigBee支持者所預想的網狀網路更為簡單。 PulseSwitch Systems 的光控開關使用壓電驅動的（piezoelectric-powered）發射器，使用遙控鑰匙（key fob）與遙控車庫大門採用的434-MHz 頻率，將代碼傳送到500W 交流線路控制器。發射器不需要電池，因為使用者在撥動開關時即可產生能量。PulseSwitch 工程部總監Jeff Rogers 說，“雖然某些遙控車庫大門和遙控車鎖得到了FCC分配的相同頻率，但我們的發射器不會打開別人的車庫或車輛；我們使用一項獲得專利的ID 代碼系統，與車鎖和遙控車庫大門所用的方式不同。” 他說，藉由可供使用的超過2.68 億個代碼，在相同的房間裏可以有相同數量的發射器接收機對，但它們彼此間或與其他工作於相同ISM頻率上的器件間不會互相干擾。
試想有一種應用，到了排放檢測的時候，監理處（Department of Motor Vehicles，DMV）可以用來與你的車輛通信。車輛就會擷取並傳回即時道路負載和驅動循環數的污染性能資料（無須人為的介入）。使用者就不必再去做排放檢測了。然而，看一看藍牙技術應用經歷了一個漫長的過程才為人們所接受，直到現在才成為人們生活中必不可少的一部分。EDN 責任編輯 Ron Wilson 指出，“可以從先驅者背後的箭頭上認出他們。”Ricochet 行動無線網路是一個沒有成功的早期無線網狀網路。M2M 的現實既不是可憐的失敗也不是巨大的成功，而是處於兩者之間的某種情況。當有些人發明瞭殺手級應用時，我們都會自已拍自已的腦袋問道，“為什麼我沒有想到？”
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讀者可以在以下網站查詢到更多與本文相關的資訊。
AT&T:www.att.com
Connect One:www.connectone.com
Cypress Semiconductor:www.cypress.com
Dust Networks:www.dustnetworks.com
General Motors:www.gm.com
Intel:www.intel.com
OnStar:www.onstar.com
Panasonic:www.panasonic.com
PulseSwitch Systems （Lightning Switch）:www.lightningswitch.com
Streetline Networks:www.streetlinenetworks.com
Texas Instruments:www.ti.com
Verifone:www.verifone.com
Verizon:www.verizon.com
Zarlink:www.zarlink.com
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參考文獻
1. Gershenfeld, Neil, and Danny Cohen, “Internet Ø:Interdevice Internetworking,” The MIT Center for Bits and Atoms, Sun Microsystems, Aug 14, 2006.
2. Dipert, Brian, “Rocketfish:Spectrum Shark,” EDN, May 6, 2007.
3. Van Horn, John, “System Data Show Half of Meter Income Goes Uncollected,” Parking Today, pg 24, March 2007.
4. Burns, John, Richard Rudd, and Zoran Spasojevic, “Compatibility between 無線 communication & ISM systems in the 2.4 GHz frequency band,” Aegis Inc, June 24, 1999.
5. Markey, Hedy, and George Antheil, Secret Communications System, Patent 2,292,387, August 1942.
提示：
• 機器對機器無線網路主要是使用手機或工業/科技/醫療（ISM）的波段。
• WiMax（全球微波接入互通性）及700-MHz 類比TV 波段將提供新的頻率。
• FHSS （跳頻展頻技術）利用跳頻、DSSS （直接序列展頻）透過展頻、捷頻無線電以跳頻來尋找清晰的波段。
• 電池壽命與干擾是無線網路中的最大問題。
• 謹慎的系統設計可將干擾降到最小，並將電池壽命最大化。
