窄频低功耗网络协议 最大化物联网节点容量

　　每当谈论到物联网技术，不外乎比较成本、电池寿命和传输距离，但我们却常忽略网络节点容量的重要性，然而因为缺乏实际数据，我们容易过度信赖理论数值而忽略了许多现实生活中会影响网络节点容量的关键因素。

　　所谓网络节点容量并非单指同时连结的节点个数，同时还包括了平均封包长度、传输时间、传输频密道，以及系统抗干扰能力的优劣，而影响网络节点容量的最基本因素可取决于使用超窄频（Ultra Narrow Band， UNB）或是宽带（Wide Band）来进行讯息传输。当然超窄频与宽带各有其优缺点，只要能去芜存菁便能定义出完美的物联网技术。

　　融合宽带与极窄频优点　窄频技术满足多节点系统

　　我们将根据频带的宽度来区分市场，分别是超窄频、窄频及宽带。这三者在无线网络通讯是截然不同的传输方式，如果用网络节点容量来讨论，这三者在ISM及SRD频带中的带宽限制、传输能量限制都非常不一样。如果还不是非常懂，不要担心！继续往下看吧。

　　之所以会选择使用如此窄的带宽，是为了减少接收方所收到的噪声。因此在相同的功率之下，噪声不仅能够减少，传输距离还可以拉长，目前为止听起来都很完美，但也因为带宽超窄，传输速率被迫得降低，因此只适用于小封包的系统。综合上述优缺点，超窄频较适用于不大需要双向通讯，也就是QoS要求不这么严苛的系统。

　　宽带是另一个很常用的方式，带宽通常会到1MHz甚至更大，然后将数据利用不同编码来增加传输距离，还可以透过调整编码的长短以改变有效的传输速率和距离。缺点是频带的稀有性无法同时满足宽带及多频道，换句话说就是不同的系统将共享同一个频段。在设计上，这样的系统对时间的同步以及功耗的控制有非常高的要求。这样的系统将无法满足物联网其偶发性且短时间的传输特性。因此这样的通讯技术不论在公用网络或是专用网的布建都会面临极大的挑战。

　　由于上述两频带都太过极端，因此最常使用的「甜蜜点」其实在这两者中间，不管是QoS、成本、抑或是效率，窄频都有极出色的表现。带宽大约在12.5kHz能够在超多节点的系统提供最佳的上传效率。

　　以下我们将依序讨论这些变量将如何影响您的物联网系统，接着我们会探讨Weightless技术是如何配置这些变量去达到需求。

　　IoT网络节点容量须审慎规画

　　现在大部分的低功耗广域网（LPWAN）协议很少是没有联机数量限制的，除此之外大部分的测试数据，像是传输范围及功能性，都是建立在少节点且线性传输的状况下。试想如果数十亿节点想要同时联机，那对现有的系统甚至是未来将是多大的改变与挑战？物联网基地台将必须同时间处理数十万个节点，若是没有适当的规画，基地台将会超过负荷。电信营运商习惯以bits/Hz来定义蜂巢式网络的容量，也就是在单位频率（Hz）下能传送多少位（Bit）的数据，而每一代人类都在为了更佳的传输效率来设计更好无线传输技术以及更好的算法。当科技暂时无法满足需求时，电信营运商只能再去买多个频段，要不就是用比较小的基地台用更密的布局来提高网络的容量。而后者是这十年来主要的做法，这意味着电信营运商需要更多的基地台以及更高的资本投资以及营运费用。

　　每当要设计物联网网络时工程师往往联想到蜂巢式网络的设计方式，但这是个错误，因为有很多物联网的特性都与众不同，我们将一一介绍：

　　较短的讯息

　　许多物联网节点仅发送微量的数据，例如停车位侦测器只须回报1个位告诉基地台该车位是否有停车；温度传感器要传输的稍微多一些，大约8~16位；而定位系统最多需要8个字节（Byte）。以上是物联网的典型特征--小数据量。然而这些数据量对一个完整的封包来说常常是微不足道的，举例来说，若是用IPv6协议来传输数据，则整个封包的长度是128bits，一个物联网终端装置仅为了回报自己的身份却让数据量大了10倍，许多应用都遇到类似的情况，因此我们必须设计一个符合物联网特性的传输方式才能大幅提升网络节点容量。

　　随机性

　　大部分的手机通讯都是属于随机性的--当有人拨打电话过来，或是Apps在使用网络的时候，手机才开始跟基地台通讯，接下来手机就又进入「随机访问」模式，直到下次事件发生为止。对于手机使用者来说这是非常方便的，但这不是一个有效率的网络架构。对一个网络来说，用户越多意味着这些用户同时间使用网络的机率就越大，就会有更多的封包在空中传输也因此增加了封包碰撞的机率，封包掉包的机率也就越大，遇到封包掉包，手机只能重复的传送封包。这样的过程在「Aloha Access」理论里有详细的讨论，结论是通讯的成功率大约仅有30%，讯息传递发生了非常多次的冲突，冲突将引发更多的冲突，最后只有靠着系统重置（Reset）来解决这个问题。

　　值得一提的是在蜂巢式网络的世界里因为「随机访问」只占了数据传输量的一小部分，因此这样的问题并不明显；但在物联网的世界里面，数据被包装成非常小的封包意味着所有的讯息传递都算是是随机访问，经过实际测试，最好的状况下传输效率也都至少降低3倍。结论是若节点能被告知下次该在什么时候传递讯息，比如说温度传感器每经过一段时间回报状态，效能将能提升至少3倍。

　　功耗控制

　　在蜂巢式通讯系统里，手持式装置往往会根据当下状况去调整到最佳的调变系统及讯号强度。然而在物联网系统里，传输时间往往短暂到没有办法去微调上述两者的时间，装置往往用到比需要的能量还强的方式去传送，也因此制造了更多的干扰。在设计上我们必须寻找更有效的方式，而我们可根据不同的数据像是节点是否静止不动或是其他网络的特性。

　　多重覆盖性网络

　　由于蜂巢式网络的电信营运商拥有自家的频带，因此在设计上可以不必担心来自它方的干扰；相反的，大部分物联网的营运商都使用免执照的频带，因此干扰是避不掉的。至今为止这尚未成为重要因素，但随着物联网络快速成长，影响迟早会越来越明显。而有些技术像是CDMA必须在特定状况下才适合，若是多个网络重迭在同一个频带，该技术往往会失效，也因此取而代之的技术，像是跳频或是Message Acknowledgement等等的重要性逐渐上升。

　　频道分配的自由度更因为可以在大型网络里重复利用频道及可调式传输速率而大幅增加了网络的容量，除此之外若系统是时间性同步的话更可以使用资源排程来优化性能。综合上述的理由，物联网的效能并不适合用既有的方式来衡量，一个使用不佳调变方式的系统很可能只因为传输讯息较小而让实际效能快10倍。

　　现在市面上有许多并非为多节点设计的系统，很有可能会因节点数量一多而有严重的后果。比如说超窄频典型的做法是利用传输同样的讯息数次来提高成功接收的机率，这很明显不适合用在物联网上。而前面提到过的宽带带利用讯号垂直性若是重迭到其他同频段的系统，后果则不堪设想。3GPP解决方案虽然还没定义完整，但封包会过大。许多问题无法在测试时显现出来，因为测试的网络规模并不大，然而等实际上随着节点数增加问题会渐渐显露出来。当基地台已经布建之后，届时为了改变系统架构所需的成本往往是非常的昂贵的。

　　由上述理由不难得出窄频提供了综合超窄频及宽带的优点，非常适合物联网封包的传输，若是设计得当，将可使整个系统的节点量大幅的提升，Weightless技术即是使用窄频带的工业物联网新科技，开发者只需要一套包含完整网络套件、一具基地台及四个节点的Weightless Ignition Pack，即可开始进行开发。

　　一个最经过优化的系统应该要有非常短的讯息长度、跳频机制、可调试传输参数、群组或Multicast传输以及弹性的排程（Scheduling）来减少随机读取的次数等等。即便在传输速度上跟其他的系统并没有明显的差别，实际状况上它所支持的网络节点容量却可能差异非常大。假使物联网的装置像智能型手机每两年就替换一轮，那或许没关系，但物联网的系统通常是要使用数年甚至数十年，那最好在设计初期就考虑周到，因为替换成本会非常的高。

　　（本文作者为Weightless技术联盟市场营销工作小组主席）
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