最大化物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)容量窄頻低功耗網(wǎng)路協(xié)定受矚目

每當(dāng)談?wù)摰?a href="http://srfitnesspt.com/soft/data/55-88/" target="_blank">物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，不外乎比較成本、電池壽命和傳輸距離，但卻常忽略網(wǎng)路節(jié)點(diǎn)容量的重要性。Weightless窄頻低功耗網(wǎng)路協(xié)定提供了綜合超窄頻及寬頻的優(yōu)點(diǎn)，非常適合物聯(lián)網(wǎng)封包的傳輸，若是設(shè)計(jì)得當(dāng)，將可使整個(gè)系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)量大幅的提升。

最大化物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)容量窄頻低功耗網(wǎng)路協(xié)定受矚目每當(dāng)談?wù)摰轿锫?lián)網(wǎng)技術(shù)，不外乎比較成本、電池壽命和傳輸距離，但我們卻常忽略網(wǎng)路節(jié)點(diǎn)容量的重要性，然而因?yàn)槿狈?shí)際數(shù)據(jù)，我們?nèi)菀走^度信賴?yán)碚摂?shù)值而忽略了許多現(xiàn)實(shí)生活中會(huì)影響網(wǎng)路節(jié)點(diǎn)容量的關(guān)鍵因素。

所謂網(wǎng)路節(jié)點(diǎn)容量并非單指同時(shí)連結(jié)的節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)，同時(shí)還包括了平均封包長度、傳輸時(shí)間、傳輸頻密道，以及系統(tǒng)抗干擾能力的優(yōu)劣，而影響網(wǎng)路節(jié)點(diǎn)容量的最基本因素可取決于使用超窄頻(Ultra Narrow Band, UNB)或是寬頻(Wide Band)來進(jìn)行訊息傳輸。當(dāng)然超窄頻與寬頻各有其優(yōu)缺點(diǎn)，只要能去蕪存菁便能定義出完美的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。

融合寬頻與極窄頻優(yōu)點(diǎn)窄頻技術(shù)滿足多節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)

我們將根據(jù)頻帶的寬度來區(qū)分市場，分別是超窄頻、窄頻及寬頻。這三者在無線網(wǎng)路通訊是截然不同的傳輸方式，如果用網(wǎng)路節(jié)點(diǎn)容量來討論，這三者在ISM及SRD頻帶中的頻寬限制、傳輸能量限制都非常不一樣。如果還不是非常懂，不要擔(dān)心！繼續(xù)往下看吧。

之所以會(huì)選擇使用如此窄的頻寬，是為了減少接收方所收到的雜訊。因此在相同的功率之下，雜訊不僅能夠減少，傳輸距離還可以拉長，目前為止聽起來都很完美，但也因?yàn)轭l寬超窄，傳輸速率被迫得降低，因此只適用于小封包的系統(tǒng)。綜合上述優(yōu)缺點(diǎn)，超窄頻較適用于不大需要雙向通訊，也就是QoS要求不這么嚴(yán)苛的系統(tǒng)。

寬頻是另一個(gè)很常用的方式，頻寬通常會(huì)到1MHz甚至更大，然后將資料利用不同編碼來增加傳輸距離，還可以透過調(diào)整編碼的長短以改變有效的傳輸速率和距離。缺點(diǎn)是頻帶的稀有性無法同時(shí)滿足寬頻及多頻道，換句話說就是不同的系統(tǒng)將共用同一個(gè)頻段。在設(shè)計(jì)上，這樣的系統(tǒng)對(duì)時(shí)間的同步以及功耗的控制有非常高的要求。這樣的系統(tǒng)將無法滿足物聯(lián)網(wǎng)其偶發(fā)性且短時(shí)間的傳輸特性。因此這樣的通訊技術(shù)不論在公用網(wǎng)路或是私人網(wǎng)路的布建都會(huì)面臨極大的挑戰(zhàn)。

由于上述兩頻帶都太過極端，因此最常使用的「甜蜜點(diǎn)」其實(shí)在這兩者中間，不管是QoS、成本、抑或是效率，窄頻都有極出色的表現(xiàn)。頻寬大約在12.5kHz能夠在超多節(jié)點(diǎn)的系統(tǒng)提供最佳的上傳效率。

以下我們將依序討論這些變數(shù)將如何影響您的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，接著我們會(huì)探討Weightless技術(shù)是如何配置這些變數(shù)去達(dá)到需求。

IoT網(wǎng)路節(jié)點(diǎn)容量須審慎規(guī)畫

現(xiàn)在大部分的低功耗廣域網(wǎng)路(LPWAN)協(xié)定很少是沒有連線數(shù)量限制的，除此之外大部分的測試數(shù)據(jù)，像是傳輸范圍及功能性，都是建立在少節(jié)點(diǎn)且線性傳輸?shù)臓顩r下。試想如果數(shù)十億節(jié)點(diǎn)想要同時(shí)連線，那對(duì)現(xiàn)有的系統(tǒng)甚至是未來將是多大的改變與挑戰(zhàn)？物聯(lián)網(wǎng)基地臺(tái)將必須同時(shí)間處理數(shù)十萬個(gè)節(jié)點(diǎn)，若是沒有適當(dāng)?shù)囊?guī)畫，基地臺(tái)將會(huì)超過負(fù)荷。電信營運(yùn)商習(xí)慣以bits/Hz來定義蜂巢式網(wǎng)路的容量，也就是在單位頻率(Hz)下能傳送多少位元(Bit)的資料，而每一代人類都在為了更佳的傳輸效率來設(shè)計(jì)更好無線傳輸技術(shù)以及更好的演算法。當(dāng)科技暫時(shí)無法滿足需求時(shí)，電信營運(yùn)商只能再去買多個(gè)頻段，要不就是用比較小的基地臺(tái)用更密的布局來提高網(wǎng)路的容量。而后者是這十年來主要的做法，這意味著電信營運(yùn)商需要更多的基地臺(tái)以及更高的資本投資以及營運(yùn)費(fèi)用。

每當(dāng)要設(shè)計(jì)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)路時(shí)工程師往往聯(lián)想到蜂巢式網(wǎng)路的設(shè)計(jì)方式，但這是個(gè)錯(cuò)誤，因?yàn)橛泻芏辔锫?lián)網(wǎng)的特性都與眾不同，我們將一一介紹：

較短的訊息

許多物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)僅發(fā)送微量的資料，例如停車位偵測器只須回報(bào)1個(gè)位元告訴基地臺(tái)該車位是否有停車；溫度感測器要傳輸?shù)纳晕⒍嘁恍?，大約8~16位元；而定位系統(tǒng)最多需要8個(gè)位元組(Byte)。以上是物聯(lián)網(wǎng)的典型特征--小資料量。然而這些資料量對(duì)一個(gè)完整的封包來說常常是微不足道的，舉例來說，若是用IPv6協(xié)定來傳輸資料，則整個(gè)封包的長度是128bits，一個(gè)物聯(lián)網(wǎng)終端裝置僅為了回報(bào)自己的身份卻讓資料量大了10倍，許多應(yīng)用都遇到類似的情況，因此我們必須設(shè)計(jì)一個(gè)符合物聯(lián)網(wǎng)特性的傳輸方式才能大幅提升網(wǎng)路節(jié)點(diǎn)容量。

隨機(jī)性

大部分的手機(jī)通訊都是屬于隨機(jī)性的--當(dāng)有人撥打電話過來，或是Apps在使用網(wǎng)路的時(shí)候，手機(jī)才開始跟基地臺(tái)通訊，接下來手機(jī)就又進(jìn)入「隨機(jī)訪問」模式，直到下次事件發(fā)生為止。對(duì)于手機(jī)使用者來說這是非常方便的，但這不是一個(gè)有效率的網(wǎng)路架構(gòu)。對(duì)一個(gè)網(wǎng)路來說，使用者越多意味著這些使用者同時(shí)間使用網(wǎng)路的機(jī)率就越大，就會(huì)有更多的封包在空中傳輸也因此增加了封包碰撞的機(jī)率，封包掉包的機(jī)率也就越大，遇到封包掉包，手機(jī)只能重復(fù)的傳送封包。這樣的過程在「Aloha Access」理論里有詳細(xì)的討論，結(jié)論是通訊的成功率大約僅有30%，訊息傳遞發(fā)生了非常多次的沖突，沖突將引發(fā)更多的沖突，最后只有靠著系統(tǒng)重置(Reset)來解決這個(gè)問題。

值得一提的是在蜂巢式網(wǎng)路的世界里因?yàn)椤鸽S機(jī)訪問」只占了資料傳輸量的一小部分，因此這樣的問題并不明顯；但在物聯(lián)網(wǎng)的世界里面，資料被包裝成非常小的封包意味著所有的訊息傳遞都算是是隨機(jī)訪問，經(jīng)過實(shí)際測試，最好的狀況下傳輸效率也都至少降低3倍。結(jié)論是若節(jié)點(diǎn)能被告知下次該在什么時(shí)候傳遞訊息，比如說溫度感測器每經(jīng)過一段時(shí)間回報(bào)狀態(tài)，效能將能提升至少3倍。

功耗控制功耗控制

在蜂巢式通訊系統(tǒng)里，手持式裝置往往會(huì)根據(jù)當(dāng)下狀況去調(diào)整到最佳的調(diào)變系統(tǒng)及訊號(hào)強(qiáng)度。然而在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)里，傳輸時(shí)間往往短暫到?jīng)]有辦法去微調(diào)上述兩者的時(shí)間，裝置往往用到比需要的能量還強(qiáng)的方式去傳送，也因此制造了更多的干擾。在設(shè)計(jì)上我們必須尋找更有效的方式，而我們可根據(jù)不同的資料像是節(jié)點(diǎn)是否靜止不動(dòng)或是其他網(wǎng)路的特性。

多重覆蓋性網(wǎng)路

由于蜂巢式網(wǎng)路的電信營運(yùn)商擁有自家的頻帶，因此在設(shè)計(jì)上可以不必?fù)?dān)心來自它方的干擾；相反的，大部分物聯(lián)網(wǎng)的營運(yùn)商都使用免執(zhí)照的頻帶，因此干擾是避不掉的。至今為止這尚未成為重要因素，但隨著物聯(lián)網(wǎng)路快速成長，影響遲早會(huì)越來越明顯。而有些技術(shù)像是CDMA必須在特定狀況下才適合，若是多個(gè)網(wǎng)路重疊在同一個(gè)頻帶，該技術(shù)往往會(huì)失效，也因此取而代之的技術(shù)，像是跳頻或是Message Acknowledgement等等的重要性逐漸上升。

頻道分配的自由度更因?yàn)榭梢栽诖笮途W(wǎng)路里重復(fù)利用頻道及可調(diào)式傳輸速率而大幅增加了網(wǎng)路的容量，除此之外若系統(tǒng)是時(shí)間性同步的話更可以使用資源排程來優(yōu)化性能。綜合上述的理由，物聯(lián)網(wǎng)的效能并不適合用既有的方式來衡量，一個(gè)使用不佳調(diào)變方式的系統(tǒng)很可能只因?yàn)閭鬏斢嵪⑤^小而讓實(shí)際效能快10倍。

現(xiàn)在市面上有許多并非為多節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的系統(tǒng)，很有可能會(huì)因節(jié)點(diǎn)數(shù)量一多而有嚴(yán)重的后果。比如說超窄頻典型的做法是利用傳輸同樣的訊息數(shù)次來提高成功接收的機(jī)率，這很明顯不適合用在物聯(lián)網(wǎng)上。而前面提到過的寬頻帶利用訊號(hào)垂直性若是重疊到其他同頻段的系統(tǒng)，后果則不堪設(shè)想。3GPP解決方案雖然還沒定義完整，但封包會(huì)過大。許多問題無法在測試時(shí)顯現(xiàn)出來，因?yàn)闇y試的網(wǎng)路規(guī)模并不大，然而等實(shí)際上隨著節(jié)點(diǎn)數(shù)增加問題會(huì)漸漸顯露出來。當(dāng)基地臺(tái)已經(jīng)布建之后，屆時(shí)為了改變系統(tǒng)架構(gòu)所需的成本往往是非常的昂貴的。

由上述理由不難得出窄頻提供了綜合超窄頻及寬頻的優(yōu)點(diǎn)，非常適合物聯(lián)網(wǎng)封包的傳輸，若是設(shè)計(jì)得當(dāng)，將可使整個(gè)系統(tǒng)的節(jié)點(diǎn)量大幅的提升，Weightless技術(shù)即是使用窄頻帶的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)新科技，開發(fā)者只需要一套包含完整網(wǎng)路套件、一具基地臺(tái)及四個(gè)節(jié)點(diǎn)的Weightless Ignition Pack，即可開始進(jìn)行開發(fā)。您可以在http://try.weightless.org/me獲取更詳細(xì)技術(shù)細(xì)節(jié)。

一個(gè)最經(jīng)過優(yōu)化的系統(tǒng)應(yīng)該要有非常短的訊息長度、跳頻機(jī)制、可調(diào)試傳輸參數(shù)、群組或Multicast傳輸以及彈性的排程(Scheduling)來減少隨機(jī)讀取的次數(shù)等等。即便在傳輸速度上跟其他的系統(tǒng)并沒有明顯的差別，實(shí)際狀況上它所支援的網(wǎng)路節(jié)點(diǎn)容量卻可能差異非常大。假使物聯(lián)網(wǎng)的裝置像智慧型手機(jī)每兩年就替換一輪，那或許沒關(guān)系，但物聯(lián)網(wǎng)的系統(tǒng)通常是要使用數(shù)年甚至數(shù)十年，那最好在設(shè)計(jì)初期就考慮周到，因?yàn)樘鎿Q成本會(huì)非常的高。

(本文作者為Weightless技術(shù)聯(lián)盟市場行銷工作小組主席 Alan Woolhouse)