隨著無線感測網路、智慧電表、家庭自動化設備和穿戴式產品呈現爆炸性成長，物聯網(IoT)已成為家喻戶曉的名詞。其涵蓋範圍大致上可分為遠距戶外網路(例如智慧電網和城市照明)和短距室內網路(例如家居聯網和建築保全系統)。
許多公司都已開始針對物聯網市場推出創新型解決方案，以提供安全狀態檢測等便捷的服務。
網際網路系統架構通常由大量的無線節點構成，感測節點架構如圖1所示。從簡單的遙控設備到具備可連接網際網路閘道的複雜無線網路，這些網路也能夠提供在地化智慧系統和雲端服務，如圖2所示。
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| 圖1 感測器節點架構 |
微控制器(MCU)和無線晶片是物聯網系統的主要架構。用於連結設備應用的MCU通常提供多種記憶體和周邊選項，無線晶片(收發器、發射器和接收器)的選擇也和MCU同等重要。
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| 圖1 網際網路系統架構 |
不過，要利用大多數運作於免費公共頻段的Sub-GHz元件，或基於ZigBee、藍牙智慧(Bluetooth Smart)或無線區域網路(Wi-Fi)等標準的2.4GHz元件是須要仔細考慮的問題(圖3)，因為當為特定的物聯網應用選擇合適的無線協定時，沒有「一體適用」的解決方案，每一種無線選項都有其自身的優缺點(表1)，具體的應用需求(例如閘道器或電池供電的終端節點)將決定互聯技術的選擇。
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| 圖3 Sub-GHz與2.4GHz頻段應用趨勢 |
在要求高效能、長電池壽命(要求電池使用壽命達5∼15年)，以及遠距傳輸的應用中，Sub-GHz私有協定和開放式ZigBee標準是最常使用的無線協定；Bluetooth則適用於不需額外無線基礎設施的智慧型手機和平板，以提供短距、點對點連接。
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| 表1 Sub-GHz與2.4GHz頻段主要特性分析 |
Wi-Fi是重視頻寬(Bandwidth-intensive)的應用(例如視頻和無線熱點連接)最常採用的無線協定，而Sub-GHz頻段非常適合長距離、低功耗、低速率的應用(例如煙霧感測器、門窗感應器)和室外系統(例如氣象觀測站、智慧電表和資產追蹤器)。
滿足長距離/低功耗無線傳輸需求 Sub-GHz技術出線
Sub-GHz技術是需要長距離和低功耗的無線應用的理想選擇。窄頻傳輸能夠將資料傳輸到遠處的集中器，通常可以到幾英里遠，且中間不需接力傳輸，這種長距離傳輸能力使其不需多個昂貴的基地台或中繼器。
Sub-GHz私有協定允許開發者根據自身的特定需求來最佳化無線解決方案，毋須遵守可能為網路建置帶來限制的標準，雖然許多現有的Sub-GHz網路採用私有協定，但是業界正在逐步朝向基於標準的、可交互操作的系統轉移。
舉例來說，IEEE 802.15.4g標準正普及於全球，並獲得多個工業協會(例如Wi-SUN和ZigBee)的採用，在任何標準中，通常都有強制和可選的規格，提前確定適當的參數有助於設備的選擇。
配備低功耗模式 節能型元件露鋒芒
為功耗敏感和電池供電應用設計無線解決方案的開發人員，必須關注無線積體電路(IC)的待機電流、低功耗模式和喚醒時間。
目前市場上的Sub-GHz收發器可望成為應用的理想選擇，因為這些節能型無線元件在待機模式下電流消耗僅40奈安培(nA)，且記憶體資料不會丟失，而由待機/休眠模式切換到接收模式僅需要440微秒(μs)。此外，還具備自主功能(例如低工作週期模式)，可進一步降低平均接收電流消耗，在間歇性工作的系統中尤為如此。
在這種情況下，基於晶片整合的可程式化32kHz休眠時脈，無線電將自動從休眠中喚醒，並進入接收模式，根據前導碼(Preamble)檢測或接收訊號強度指示(RSSI)來評估通道資料的有效性，並只在接收到有效資料封包才會喚醒主機MCU。如果非有效資料封包，無線電則將自動回到休眠模式，而不會中斷和啟動主機MCU。
在採用工作週期模式的應用中，三個主要因素決定了電流消耗：睡眠模式轉換到接收模式所消耗的能量、評估通道資料封包有效性所需的時間，以及休眠模式電流(圖4)。
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| 圖4 接收器自主的工作週期 |
新款收發器的前導碼感應模式能大幅減少了通道存取時間，且不會降低靈敏度(Sensitivity)，同時顯著降低平均接收電流，而且這些無線電收發器僅需要8位元前導碼就能判斷前導碼的有效性，而其他傳統Sub-GHz收發器則需要32位元。
平均接收電流的改善更有利於擁有較長前導碼長度和較低資料速率的情形。在這些Sub-GHz收發器中，功率放大器(PA)會消耗最大的電流，因此高效的PA設計也是獲得長效電池壽命的關鍵。
市售的新款晶片會具備高效的+20dBm PA，能耗僅為85毫安培，相較於其他解決方案則降低了40毫安培；在+10dBm輸出功率時，PA消耗僅為18毫安培，因此可用鈕扣電池進行供電。
長距離傳輸優勢可節省系統部署成本
在任何應用中，採用Sub-GHz無線技術的主要優點是在該頻段的長距離傳輸能力，即使在訊號擁擠的環境下也不受影響。長距離傳輸系統減少了部署成本，服務相同數量設備時所需要的基地台和中繼器更少；在既定的輸出功率下，低頻率傳輸能夠傳輸更遠的距離。根據物理學原理，可以透過Friis公式進行路徑損耗分析來解釋這種現象(公式1)。
..................公式1
在上面所列的公式中，Pr是接收功率，Pt是發射功率，Gt和Gr分別是發射器和接收器的天線增益，R是天線之間的距離，λ是波長。
根據經驗法則，在一般情況下，在室外空曠環境下鏈路預算(Link Budget)每增加6dB將帶來雙倍的傳輸距離。所有其他條件相同的情況下，169MHz頻段的可達距離將優於868/915MHz頻段，因為距離測試對測試環境和設備參數非常敏感，而很難在不同廠商提供的RF收發器解決方案中進行精準的同級比較。
比較時，須得充分考慮無線電參數(如頻率、輸出功率、頻寬、封包結構、天線以及BER或PER的計算方法等)。在室外空曠環境測試中，新一代晶片會採用標準的GFSK調變方式，高頻段和低頻段傳輸距離都可達到13∼16公里。表2顯示新一代收發器在不同速率下的鏈路預算情況。
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| 表2 無線鏈路預算 |
系統傳輸距離是接收器靈敏度和傳輸頻率的函數。靈敏度與通道頻寬成反比，這意味著窄頻會有更高的接收靈敏度；通道頻寬則取決於三個因素：資料速率(Data Rate)、頻率偏置(Deviation)和晶體振盪器(Crystal Oscillator)的精準度，為使應用進行有效的發送和接收，通道頻寬必須設置到足夠滿足這三個因素。
目前無線晶片廠所推的解決方案具備完全可程式設計的接收頻寬，從200∼850kHz，並且能夠在100bit/s速率下保持-133dBm的靈敏度。
在其他的應用中，這樣的解決方案採用展頻(Spread Spectrum)機制代替標準的窄頻GFSK調變，較低的資料率需要較寬的頻寬，如此傳輸效率低，但是傳輸功率譜密度(Power Spectral Density)也低(圖5)。
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| 圖5 窄頻和展頻訊號 |
增加頻寬產生的靈敏度損失可經由編碼增益進行補償，每一個資料位元可能被編碼成多個位元，在更寬的頻段中傳輸，這意味著，在相同的淨資料速率下，相對於傳統窄頻GFSK作法來說並沒有直接的靈敏度改善。
由展頻訊號中解碼資料通常需要更長的前導碼來同步，同時會增加封包傳輸時間，進而降低電池使用壽命。而基於不同頻段範圍，窄頻系統可提供出色的鄰道抑制能力(Adjacent Channel Rejection)，約在60∼70dB。
展頻訊號則不易受到干擾，不過如果在相同的頻率附近有窄頻訊號，將顯著減少編碼系統的傳輸距離。其優勢之一是可以使用更低成本的石英晶體(Crystal)來替代高成本的溫度補償石英晶體振盪器(TCXO)，而基於GFSK的窄頻系統通常須要使用TCXO以確保頻率精確度和延伸傳輸距離，不過Crystal和TCXO之間的成本差異日趨縮小，而且高階的收發器(例如EZRadioPRO)也提供自動頻率補償(AFC)機制，因此能進一步減少頻率偏移所造成的影響。
總體而言，低功耗和長距離是確定Sub-GHz無線系統設計方向的關鍵因素。快速訊號偵測、幾十奈安培(Nanoamps)的超低功耗待機電流、快速狀態轉換時間則是建構穩健軟體解決方案的關鍵，才足以有效提升可連接設備應用的系統級效率。
隨著物聯網市場快速發展，各類高整合度、超低功耗的半導體元件也正以低價不斷湧現，其中，具備彈性架構的超低功耗MCU和無線IC支援多種協定則將成為實現智慧、互聯和低功耗型物聯網世界的重要驅力。
(本文作者為芯科實驗室無線產品資深產品經理)