LPWAN技術(shù)選擇不走冤枉路 你需要懂的省電機制細節(jié)

　　在選擇物聯(lián)網(wǎng)通訊協(xié)議時，須針對不同的應(yīng)用場景來謹慎評估技術(shù)及商業(yè)層面的各種因素，產(chǎn)品設(shè)計理念是決定通訊協(xié)議的關(guān)鍵因素。一般公認用來評比物聯(lián)網(wǎng)通訊協(xié)議的指針參數(shù)包含網(wǎng)絡(luò)節(jié)點容量、電池壽命、網(wǎng)絡(luò)傳輸質(zhì)量等，其中又以功耗最受到開發(fā)者關(guān)注。

　　在選擇物聯(lián)網(wǎng)通訊協(xié)議時需要針對不同的應(yīng)用場景來謹慎評估技術(shù)及商業(yè)層面的各種因素。不同的通訊協(xié)議適合用在不同的應(yīng)用產(chǎn)品，產(chǎn)品的設(shè)計理念會是決定通訊協(xié)議的關(guān)鍵因素。下列是一般公認用來評比物聯(lián)網(wǎng)通訊協(xié)議的指標參數(shù)：網(wǎng)絡(luò)節(jié)點容量、電池壽命、網(wǎng)絡(luò)聯(lián)機質(zhì)量、傳輸范圍、網(wǎng)絡(luò)可靠度、數(shù)據(jù)安全性、成本，以及自家開發(fā)與公開標準。

　　上一期《窄頻低功耗網(wǎng)絡(luò)協(xié)議 最大化物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點容量》探討了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的容納數(shù)量，這一回將針對「功耗」來探討其在物聯(lián)網(wǎng)通訊扮演什么樣的角色。

　　物聯(lián)網(wǎng)市場涵蓋許多截然不同的應(yīng)用，而沒有任何一項協(xié)議是能同時滿足所有的產(chǎn)品及應(yīng)用，在此聲明本文并非要圖利特定業(yè)者。本文將探討電池功耗，因此如果您的終端產(chǎn)品是直接使用電源供電，那么您可以直接忽略這項影響因素并跳過這篇文章。

　　如果您還在閱讀本文章，那么我們可以假設(shè)電池功耗將會是影響您產(chǎn)品的其中一個重要因素。對于這些應(yīng)用，電池功耗無疑是選擇通訊協(xié)議的關(guān)鍵因素。大部分的使用場景（Use Cases）不可能會讓使用者疲于奔命換電池，而且物聯(lián)網(wǎng)裝置的電池壽命時常是以「年」做為時間計算單位。

　　計算電池壽命的公式其實相當復雜，雖然大抵上最主要的影響因素可以分為兩種：休眠（Idle）時及數(shù)據(jù)傳輸時的耗電量。但魔鬼藏在細節(jié)里，讓我們繼續(xù)看下去。

　　一個裝置的休眠時間長短往往取決于希望電池壽命長還是反應(yīng)時間（Latency）短。

　　最佳的甜蜜點則因不同的應(yīng)用而有所區(qū)別，對某些應(yīng)用來說一天只需跟裝置聯(lián)機一次即可，有些應(yīng)用則須不定期地每幾秒中就聯(lián)機一次（像手機）；最好的系統(tǒng)能讓物聯(lián)網(wǎng)裝置根據(jù)預先設(shè)定好（Pre-programmed）的參數(shù)，彈性的決定空閑時間的長短。

　　一旦決定好休眠的時間長短之后，接下來的關(guān)鍵是將數(shù)據(jù)接收的時間減到最短。

　　有些系統(tǒng)要求各個裝置對每一個頻道去掃描是否有任何信息；而有些方法比較聰明，會在數(shù)據(jù)封包的最前面加上一個判別卷標，幫助各個裝置決定是否要接收該筆數(shù)據(jù)；另外，支持多個子頻道（Sub-channels）的傳輸意味著接收端只需要鎖定其中一個特定頻道，進而可以減少接收時間。

　　相較于接收數(shù)據(jù)，傳送數(shù)據(jù)時的功耗就更大了，然而傳輸時的功耗是可以透過適當設(shè)計來有效降低的。有一些比較顯而易見的像是選用適當?shù)恼{(diào)變方式，避免使用線性放大器并操作在適當?shù)墓ぷ麟妷海蝗欢钪匾倪€是降低所需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量。從本質(zhì)面上來看，所有的系統(tǒng)無可避免地都會面臨無線傳輸所造成的能量衰減，也因此發(fā)展出許多應(yīng)對機制來延長傳輸每位所需要的時間，比方說在超窄頻（Ultra-Narrow Band）的超低傳輸速率；或是在展頻（Spread Spectrum）系統(tǒng)中每位所代表的多個展頻碼（MulTIple Spreading Code Bits）。

　　所有的物聯(lián)網(wǎng)通訊協(xié)議都面臨同樣的能量效率（E/bit）。各家業(yè)者差距最大的就是實際傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量。舉例來說，其中一種解決方式是重復傳輸同樣的數(shù)據(jù)來提升傳輸?shù)某晒β?，比方重復傳輸三次，而毫無疑問地這種方式會使傳輸功耗提升三倍，因而使電池壽命減少三倍。假設(shè)維持其他因素不變，對一個要求使用10年裝置的使用場景，每3年就須要更換電池的系統(tǒng)是無法達到標準的。

　　對于任何一項低功耗廣域網(wǎng)（LPWAN）的解決方案來說，電池壽命須達到10年以上是稀松平常的，而如果增長休眠時間并降低傳輸頻率，理論上是可行的。

　　我相信我們都曾遭遇過電池蓄電力比廠商宣稱的時間短許多，或是某些「智能」裝置的反應(yīng)時間慢到讓人想要翻桌。其實在測試階段很難去評估電池的真實壽命，往往需要等到整個網(wǎng)絡(luò)架好并運行一段時間后才會有足夠的數(shù)據(jù)去計算電池的實際壽命。如果一套五千萬個裝置的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)在安裝完成之后，才發(fā)現(xiàn)這些裝置使用到一半時就沒電而需要更換電池是一件非常令人崩潰的事--想必所有的鄉(xiāng)民會？到翻掉。無論如何，如果工程師不想要丟掉飯碗，在判斷廠商所提供的相關(guān)營銷數(shù)據(jù)時要格外小心謹慎；比方說最近有一則公司新聞稿表示該產(chǎn)品的鈕扣電池壽命可長達10至20年之久，我個人最好奇的點是哪里可以找到壽命這么長的Uranium-235鈕扣電池。

　　在選擇LPWAN技術(shù)的過程中，不妨問問廠商的技術(shù)人員是不是真的了解如何延長電池壽命，是透過降低傳輸數(shù)據(jù)量呢？還是在休眠上做優(yōu)化？是在無線電通訊（RF）參數(shù)上針對功耗進行優(yōu)化并盡可能使用非線性放大器呢？抑或是避免盲目的傳輸相同的數(shù)據(jù)？還是使用較大的封包？

　　許多物聯(lián)網(wǎng)的終端產(chǎn)品因為仰賴電池供電，因此低功耗成了必要條件。照理說，所有運行在免執(zhí)照頻譜的LPWAN通訊協(xié)議都屬于低功耗，但Weightless-P透過許多最新的技術(shù)在降低功耗的同時達到最出色的效能。 傳輸過程中消耗的總能量相當于傳輸時的功耗乘上傳輸所需要的時間，Weightless-P利用GMSK及Offset-QPSK調(diào)變使得功率放大器的效率達到最高；除此之外，Offset-QPSK就算在復雜的環(huán)境下也能同時兼具抗干擾及穩(wěn)定的聯(lián)機質(zhì)量；ISM頻帶里限制傳輸功率最高只能17dBm，意味著終端裝置是可被鈕扣電池驅(qū)動的；可調(diào)式傳輸速率則可以讓終端裝置透過最干凈的傳輸頻道用最小的功耗來傳輸數(shù)據(jù)，進而提升電池壽命，也因為終端裝置大部分的時間都處于休眠狀態(tài)，使得傳輸功耗變得更加關(guān)鍵。根據(jù)可靠的測量數(shù)據(jù)，Weightless-P通訊協(xié)議在休眠時只需要100μW的功耗。

　　（本文作者為Weightless技術(shù)聯(lián)盟市場營銷工作小組主席）