在選擇物聯網通訊協議時，須針對不同的應用場景來謹慎評估技術及商業層面的各種因素，產品設計理念是決定通訊協議的關鍵因素。一般公認用來評比物聯網通訊協議的指針參數包含網絡節點容量、電池壽命、網絡傳輸質量等，其中又以功耗最受到開發者關注。

　　在選擇物聯網通訊協議時需要針對不同的應用場景來謹慎評估技術及商業層面的各種因素。不同的通訊協議適合用在不同的應用產品，產品的設計理念會是決定通訊協議的關鍵因素。下列是一般公認用來評比物聯網通訊協議的指標參數：網絡節點容量、電池壽命、網絡聯機質量、傳輸范圍、網絡可靠度、數據安全性、成本，以及自家開發與公開標準。

　　上一期《窄頻低功耗網絡協議 最大化物聯網節點容量》探討了網絡節點的容納數量，這一回將針對「功耗」來探討其在物聯網通訊扮演什么樣的角色。

　　物聯網市場涵蓋許多截然不同的應用，而沒有任何一項協議是能同時滿足所有的產品及應用，在此聲明本文并非要圖利特定業者。本文將探討電池功耗，因此如果您的終端產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，那么我們可以假設電池功耗將會是影響您產品的其中一個重要因素。對于這些應用，電池功耗無疑是選擇通訊協議的關鍵因素。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，而且物聯網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）時及數據傳輸時的耗電量。但魔鬼藏在細節里，讓我們繼續看下去。

　　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時間（Latency）短。

　　最佳的甜蜜點則因不同的應用而有所區別，對某些應用來說一天只需跟裝置聯機一次即可，有些應用則須不定期地每幾秒中就聯機一次（像手機）；最好的系統能讓物聯網裝置根據預先設定好（Pre-programmed）的參數，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，接下來的關鍵是將數據接收的時間減到最短。

　　有些系統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，會在數據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據；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。

　　相較于接收數據，傳送數據時的功耗就更大了，然而傳輸時的功耗是可以透過適當設計來有效降低的。有一些比較顯而易見的像是選用適當的調變方式，避免使用線性放大器并操作在適當的工作電壓；然而最重要的還是降低所需要傳輸的數據量。從本質面上來看，所有的系統無可避免地都會面臨無線傳輸所造成的能量衰減，也因此發展出許多應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）系統中每位所代表的多個展頻碼（Multiple Spreading Code Bits）。

　　所有的物聯網通訊協議都面臨同樣的能量效率（E/bit）。各家業者差距最大的就是實際傳輸的數據量。舉例來說，其中一種解決方式是重復傳輸同樣的數據來提升傳輸的成功率，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是無法達到標準的。

　　對于任何一項低功耗廣域網（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絡架好并運行一段時間后才會有足夠的數據去計算電池的實際壽命。如果一套五千萬個裝置的物聯網系統在安裝完成之后，才發現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營銷數據時要格外小心謹慎；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技術的過程中，不妨問問廠商的技術人員是不是真的了解如何延長電池壽命，是透過降低傳輸數據量呢？還是在休眠上做優化？是在無線電通訊（RF）參數上針對功耗進行優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據？還是使用較大的封包？

　　許多物聯網的終端產品因為仰賴電池供電，因此低功耗成了必要條件。照理說，所有運行在免執照頻譜的LPWAN通訊協議都屬于低功耗，但Weightless-P透過許多最新的技術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就算在復雜的環境下也能同時兼具抗干擾及穩定的聯機質量；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動的；可調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據，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，使得傳輸功耗變得更加關鍵。根據可靠的測量數據，Weightless-P通訊協議在休眠時只需要100μW的功耗。

　　（本文作者為Weightless技術聯盟市場營銷工作小組主席）