LPWAN技术选择不走冤枉路 你需要懂的省电机制细节

　　在选择物联网通讯协议时，须针对不同的应用场景来谨慎评估技术及商业层面的各种因素，产品设计理念是决定通讯协议的关键因素。一般公认用来评比物联网通讯协议的指针参数包含网络节点容量、电池寿命、网络传输质量等，其中又以功耗最受到开发者关注。

　　在选择物联网通讯协议时需要针对不同的应用场景来谨慎评估技术及商业层面的各种因素。不同的通讯协议适合用在不同的应用产品，产品的设计理念会是决定通讯协议的关键因素。下列是一般公认用来评比物联网通讯协议的指标参数：网络节点容量、电池寿命、网络联机质量、传输范围、网络可靠度、数据安全性、成本，以及自家开发与公开标准。

　　上一期《窄频低功耗网络协议 最大化物联网节点容量》探讨了网络节点的容纳数量，这一回将针对「功耗」来探讨其在物联网通讯扮演什么样的角色。

　　物联网市场涵盖许多截然不同的应用，而没有任何一项协议是能同时满足所有的产品及应用，在此声明本文并非要图利特定业者。本文将探讨电池功耗，因此如果您的终端产品是直接使用电源供电，那么您可以直接忽略这项影响因素并跳过这篇文章。

　　如果您还在阅读本文章，那么我们可以假设电池功耗将会是影响您产品的其中一个重要因素。对于这些应用，电池功耗无疑是选择通讯协议的关键因素。大部分的使用场景（Use Cases）不可能会让使用者疲于奔命换电池，而且物联网装置的电池寿命时常是以「年」做为时间计算单位。

　　计算电池寿命的公式其实相当复杂，虽然大抵上最主要的影响因素可以分为两种：休眠（Idle）时及数据传输时的耗电量。但魔鬼藏在细节里，让我们继续看下去。

　　一个装置的休眠时间长短往往取决于希望电池寿命长还是反应时间（Latency）短。

　　最佳的甜蜜点则因不同的应用而有所区别，对某些应用来说一天只需跟装置联机一次即可，有些应用则须不定期地每几秒中就联机一次（像手机）；最好的系统能让物联网装置根据预先设定好（Pre-programmed）的参数，弹性的决定空闲时间的长短。

　　一旦决定好休眠的时间长短之后，接下来的关键是将数据接收的时间减到最短。

　　有些系统要求各个装置对每一个频道去扫描是否有任何信息；而有些方法比较聪明，会在数据封包的最前面加上一个判别卷标，帮助各个装置决定是否要接收该笔数据；另外，支持多个子频道（Sub-channels）的传输意味着接收端只需要锁定其中一个特定频道，进而可以减少接收时间。

　　相较于接收数据，传送数据时的功耗就更大了，然而传输时的功耗是可以透过适当设计来有效降低的。有一些比较显而易见的像是选用适当的调变方式，避免使用线性放大器并操作在适当的工作电压；然而最重要的还是降低所需要传输的数据量。从本质面上来看，所有的系统无可避免地都会面临无线传输所造成的能量衰减，也因此发展出许多应对机制来延长传输每位所需要的时间，比方说在超窄频（Ultra-Narrow Band）的超低传输速率；或是在展频（Spread Spectrum）系统中每位所代表的多个展频码（MulTIple Spreading Code Bits）。

　　所有的物联网通讯协议都面临同样的能量效率（E/bit）。各家业者差距最大的就是实际传输的数据量。举例来说，其中一种解决方式是重复传输同样的数据来提升传输的成功率，比方重复传输三次，而毫无疑问地这种方式会使传输功耗提升三倍，因而使电池寿命减少三倍。假设维持其他因素不变，对一个要求使用10年装置的使用场景，每3年就须要更换电池的系统是无法达到标准的。

　　对于任何一项低功耗广域网（LPWAN）的解决方案来说，电池寿命须达到10年以上是稀松平常的，而如果增长休眠时间并降低传输频率，理论上是可行的。

　　我相信我们都曾遭遇过电池蓄电力比厂商宣称的时间短许多，或是某些「智能」装置的反应时间慢到让人想要翻桌。其实在测试阶段很难去评估电池的真实寿命，往往需要等到整个网络架好并运行一段时间后才会有足够的数据去计算电池的实际寿命。如果一套五千万个装置的物联网系统在安装完成之后，才发现这些装置使用到一半时就没电而需要更换电池是一件非常令人崩溃的事--想必所有的乡民会？到翻掉。无论如何，如果工程师不想要丢掉饭碗，在判断厂商所提供的相关营销数据时要格外小心谨慎；比方说最近有一则公司新闻稿表示该产品的钮扣电池寿命可长达10至20年之久，我个人最好奇的点是哪里可以找到寿命这么长的Uranium-235钮扣电池。

　　在选择LPWAN技术的过程中，不妨问问厂商的技术人员是不是真的了解如何延长电池寿命，是透过降低传输数据量呢？还是在休眠上做优化？是在无线电通讯（RF）参数上针对功耗进行优化并尽可能使用非线性放大器呢？抑或是避免盲目的传输相同的数据？还是使用较大的封包？

　　许多物联网的终端产品因为仰赖电池供电，因此低功耗成了必要条件。照理说，所有运行在免执照频谱的LPWAN通讯协议都属于低功耗，但Weightless-P透过许多最新的技术在降低功耗的同时达到最出色的效能。 传输过程中消耗的总能量相当于传输时的功耗乘上传输所需要的时间，Weightless-P利用GMSK及Offset-QPSK调变使得功率放大器的效率达到最高；除此之外，Offset-QPSK就算在复杂的环境下也能同时兼具抗干扰及稳定的联机质量；ISM频带里限制传输功率最高只能17dBm，意味着终端装置是可被钮扣电池驱动的；可调式传输速率则可以让终端装置透过最干净的传输频道用最小的功耗来传输数据，进而提升电池寿命，也因为终端装置大部分的时间都处于休眠状态，使得传输功耗变得更加关键。根据可靠的测量数据，Weightless-P通讯协议在休眠时只需要100μW的功耗。

　　（本文作者为Weightless技术联盟市场营销工作小组主席）