窄頻低功耗網(wǎng)絡協(xié)議 最大化物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點容量

　　每當談論到物聯(lián)網(wǎng)技術，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)絡節(jié)點容量的重要性，然而因為缺乏實際數(shù)據(jù)，我們?nèi)菀走^度信賴理論數(shù)值而忽略了許多現(xiàn)實生活中會影響網(wǎng)絡節(jié)點容量的關鍵因素。

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

　　融合寬帶與極窄頻優(yōu)點　窄頻技術滿足多節(jié)點系統(tǒng)

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

　　之所以會選擇使用如此窄的帶寬，是為了減少接收方所收到的噪聲。因此在相同的功率之下，噪聲不僅能夠減少，傳輸距離還可以拉長，目前為止聽起來都很完美，但也因為帶寬超窄，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，超窄頻較適用于不大需要雙向通訊，也就是QoS要求不這么嚴苛的系統(tǒng)。

　　寬帶是另一個很常用的方式，帶寬通常會到1MHz甚至更大，然后將數(shù)據(jù)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。缺點是頻帶的稀有性無法同時滿足寬帶及多頻道，換句話說就是不同的系統(tǒng)將共享同一個頻段。在設計上，這樣的系統(tǒng)對時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)性且短時間的傳輸特性。因此這樣的通訊技術不論在公用網(wǎng)絡或是專用網(wǎng)的布建都會面臨極大的挑戰(zhàn)。

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

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

　　IoT網(wǎng)絡節(jié)點容量須審慎規(guī)畫

　　現(xiàn)在大部分的低功耗廣域網(wǎng)（LPWAN）協(xié)議很少是沒有聯(lián)機數(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)點且線性傳輸?shù)臓顩r下。試想如果數(shù)十億節(jié)點想要同時聯(lián)機，那對現(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)基地臺將必須同時間處理數(shù)十萬個節(jié)點，若是沒有適當?shù)囊?guī)畫，基地臺將會超過負荷。電信營運商習慣以bits/Hz來定義蜂巢式網(wǎng)絡的容量，也就是在單位頻率（Hz）下能傳送多少位（Bit）的數(shù)據(jù)，而每一代人類都在為了更佳的傳輸效率來設計更好無線傳輸技術以及更好的算法。當科技暫時無法滿足需求時，電信營運商只能再去買多個頻段，要不就是用比較小的基地臺用更密的布局來提高網(wǎng)絡的容量。而后者是這十年來主要的做法，這意味著電信營運商需要更多的基地臺以及更高的資本投資以及營運費用。

　　每當要設計物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡時工程師往往聯(lián)想到蜂巢式網(wǎng)絡的設計方式，但這是個錯誤，因為有很多物聯(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)點僅發(fā)送微量的數(shù)據(jù)，例如停車位偵測器只須回報1個位告訴基地臺該車位是否有停車；溫度傳感器要傳輸?shù)纳晕⒍嘁恍?，大約8~16位；而定位系統(tǒng)最多需要8個字節(jié)（Byte）。以上是物聯(lián)網(wǎng)的典型特征--小數(shù)據(jù)量。然而這些數(shù)據(jù)量對一個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)議來傳輸數(shù)據(jù)，則整個封包的長度是128bits，一個物聯(lián)網(wǎng)終端裝置僅為了回報自己的身份卻讓數(shù)據(jù)量大了10倍，許多應用都遇到類似的情況，因此我們必須設計一個符合物聯(lián)網(wǎng)特性的傳輸方式才能大幅提升網(wǎng)絡節(jié)點容量。

　　隨機性

　　大部分的手機通訊都是屬于隨機性的--當有人撥打電話過來，或是Apps在使用網(wǎng)絡的時候，手機才開始跟基地臺通訊，接下來手機就又進入「隨機訪問」模式，直到下次事件發(fā)生為止。對于手機使用者來說這是非常方便的，但這不是一個有效率的網(wǎng)絡架構(gòu)。對一個網(wǎng)絡來說，用戶越多意味著這些用戶同時間使用網(wǎng)絡的機率就越大，就會有更多的封包在空中傳輸也因此增加了封包碰撞的機率，封包掉包的機率也就越大，遇到封包掉包，手機只能重復的傳送封包。這樣的過程在「Aloha Access」理論里有詳細的討論，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）來解決這個問題。

　　值得一提的是在蜂巢式網(wǎng)絡的世界里因為「隨機訪問」只占了數(shù)據(jù)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，數(shù)據(jù)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訪問，經(jīng)過實際測試，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)點能被告知下次該在什么時候傳遞訊息，比如說溫度傳感器每經(jīng)過一段時間回報狀態(tài)，效能將能提升至少3倍。

　　功耗控制

　　在蜂巢式通訊系統(tǒng)里，手持式裝置往往會根據(jù)當下狀況去調(diào)整到最佳的調(diào)變系統(tǒng)及訊號強度。然而在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)里，傳輸時間往往短暫到?jīng)]有辦法去微調(diào)上述兩者的時間，裝置往往用到比需要的能量還強的方式去傳送，也因此制造了更多的干擾。在設計上我們必須尋找更有效的方式，而我們可根據(jù)不同的數(shù)據(jù)像是節(jié)點是否靜止不動或是其他網(wǎng)絡的特性。

　　多重覆蓋性網(wǎng)絡

　　由于蜂巢式網(wǎng)絡的電信營運商擁有自家的頻帶，因此在設計上可以不必擔心來自它方的干擾；相反的，大部分物聯(lián)網(wǎng)的營運商都使用免執(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)絡快速成長，影響遲早會越來越明顯。而有些技術像是CDMA必須在特定狀況下才適合，若是多個網(wǎng)絡重迭在同一個頻帶，該技術往往會失效，也因此取而代之的技術，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為可以在大型網(wǎng)絡里重復利用頻道及可調(diào)式傳輸速率而大幅增加了網(wǎng)絡的容量，除此之外若系統(tǒng)是時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，一個使用不佳調(diào)變方式的系統(tǒng)很可能只因為傳輸訊息較小而讓實際效能快10倍。

　　現(xiàn)在市面上有許多并非為多節(jié)點設計的系統(tǒng)，很有可能會因節(jié)點數(shù)量一多而有嚴重的后果。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率，這很明顯不適合用在物聯(lián)網(wǎng)上。而前面提到過的寬帶帶利用訊號垂直性若是重迭到其他同頻段的系統(tǒng)，后果則不堪設想。3GPP解決方案雖然還沒定義完整，但封包會過大。許多問題無法在測試時顯現(xiàn)出來，因為測試的網(wǎng)絡規(guī)模并不大，然而等實際上隨著節(jié)點數(shù)增加問題會漸漸顯露出來。當基地臺已經(jīng)布建之后，屆時為了改變系統(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帶的優(yōu)點，非常適合物聯(lián)網(wǎng)封包的傳輸，若是設計得當，將可使整個系統(tǒng)的節(jié)點量大幅的提升，Weightless技術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)絡套件、一具基地臺及四個節(jié)點的Weightless IgniTIon Pack，即可開始進行開發(fā)。

　　一個最經(jīng)過優(yōu)化的系統(tǒng)應該要有非常短的訊息長度、跳頻機制、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，實際狀況上它所支持的網(wǎng)絡節(jié)點容量卻可能差異非常大。假使物聯(lián)網(wǎng)的裝置像智能型手機每兩年就替換一輪，那或許沒關系，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，那最好在設計初期就考慮周到，因為替換成本會非常的高。

　?。ū疚淖髡邽閃eightless技術聯(lián)盟市場營銷工作小組主席）
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