隨著物聯網時代興起，無線通訊逐漸成為人們生活中必不可缺的一環。但隨著網路需求提升，傳輸技術的進步勢在必行。綜觀現行LPWAN傳輸技術，Wi-Fi HaLow的省電架構挾優勢突圍，為無線通訊市場帶來新氣象。
因應近年來通訊技術與雲端運算的蓬勃發展，隨處、隨時、隨手上網已然實現，全球各國都在積極打造智慧城市。
根據工研院IEK研究報告指出，全球都市人口將在2050年增加至63億，在2025年之前也會形成至少29個人口超過千萬的「巨城」(Megacity)。
在城市治理、能源、交通、醫療、環保與教育等層面，亟需及早備好各種解決方案，因應各種挑戰之餘，更利用資通訊技術的創新加值，締造出更多元活絡的經濟模式。
NB-IoT/ISM各有優勢
被認為適合城市物聯網應用的低功耗廣域(Low-power Wide-area, LPWA)傳輸技術，擁有低功耗、長距離、易布建、低成本與高可靠度的特性，被視為城市物聯網不可或缺的通訊技術，近五年來也發展出多種相關軟硬體產品與技術服務，多依商業模式而分為受到電信公司擁戴的NB-IoT陣營與免授權頻譜的ISM(Industrial Scientific Medical)陣營之兩大類解決方案：
前者的優勢是基礎設施已然部署、LTE基地台也可以升級支援，對於電信商延伸智慧雲端服務營運是一大利基。
而後者則挾完整新興軟硬體生態系的高延展性，可快速打造一個中長距離又低功耗低成本的物聯網，對於不需要格外高速與大量資料傳輸的監控應用而言是良好選擇。
圖1是Wi-Fi聯盟最新的生力軍之一的特性說明：IEEE 802.11ah，近年來新更名為HaLow，或稱Wi-Fi HaLow，其可在數十公尺到1公里的距離內達到每秒數Mbits的網路速度，一個接取點可支援數千個節點；其將填補低功耗、低成本的LoRa與Sigfox網路，以及更耗電、又需要搭配資費方案的LTE Cat-M和NB-IoT間的空白。
圖1 儘管HaLow不是最低功耗的選擇，但其特性很全面。
訊號傳輸效能影響耗電程度
與傳統Wi-Fi(802.11a/b/g/n/ac)相比，Wi-Fi HaLow以更窄的頻寬(1/2/4/8/16MHz)及更低的工作頻段(<1GHz)進行傳輸，此舉可使同樣能量的訊號傳得更遠、穿透性更佳。
在省電方面，Wi-Fi HaLow除採用多種睡眠模式大幅降低系統數據流量以節省終端電池功耗外，並使用先聽後講(Listen-before-talk)的無線存取機制來避免因其他網路技術所發生的衝突而造成不必要的重傳。
然而，這些技術並非為Wi-Fi HaLow所獨有，而與其餘現行LPWA傳輸技術之省電手法相仿，均透過降低媒體存取控制層(MAC Layer)負擔的方式來減少RF模組開啟的時間。因此，使用Wi-Fi HaLow傳輸時較耗電之主因在於RF模組的功耗程度較高，於RF開啟時間相當的情況下需要耗費較高電力。
故Wi-Fi HaLow是否能成為IoT市場後起之秀的重要關鍵，在於其所採納的正交分頻多工(Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM)波形是否能夠克服其為人詬病的高均峰值比(Peak-to-average Power Ratio, PAPR)問題。
因OFDM係一多載波調變波形，容易因疊加各子載波時產製出高PAPR的訊號，為避免此類訊號超過RF模組中功率放大器的線性區間，通常會使用功率回退(Input Back Off, IBO)降低其工作電壓，進而影響其功率放大器(Power Amplifier, PA)的輸出效率；故高PAPR訊號造成PA效能低落正是OFDM耗電的主因，此缺點是否能被有效克服已被視為Wi-Fi HaLow能成功跨入IoT市場的重要關鍵之一。
例如在歐盟「Horizon 2020」科研計畫中，「MB/S GREEN-OFDM IOT」專案即為解決此問題，積極研發基於線性選擇性映射(Selected Mapping, SLM)技術的低PAPR OFDM晶片，使基於OFDM的相關LPWA通訊技術能於IoT市場上更具競爭力。
由於傳統Wi-Fi接入點(Access Point, AP)因訊號傳輸距離要求不長，輸出功率較低，因此OFDM訊號的PAPR問題於下行訊號(Downlink, DL)多半透過IBO技術即可滿足終端對訊號線性度的要求。
但Wi-Fi HaLow的AP旨在進行長距離傳輸，相同IBO值無法輸出足夠的功率以供訊號覆蓋，還需加入數位預失真(Digital Pre-distortion, DPD)的訊號線性化技術，使得RF可用較低的IBO輸出無失真的訊號，藉以進一步提昇PA的輸出效率。
以DL的觀點而言，作為傳輸端的AP通常成本考量較無嚴格限制並且使用市電供應電源，故DPD的高複雜度及DPD與IBO的高耗電問題較無直接衝擊其商業化的進程，惟上行訊號(Uplink, UL)則因傳輸端多半為IoT終端裝置，其低成本及有限的電源供應(如電池、太陽能板)將使Wi-Fi HaLow進行傳輸時面臨省電挑戰。
雖然持續精簡MAC層訊務量以及研發功耗更低的RF模組有助IBO與DPD應用於Wi-Fi HaLow傳輸之節電，但其標準對發送訊號線性度之高要求，仍無法有效解決PA輸出效率低落之瓶頸。
省電架構三特性迎新契機
有關處理OFDM訊號的高PAPR問題早在2000年即開始有大量的研究，文獻累積至今可概分為兩大類，一是於傳送端以非訊號失真的手段降低訊號之PAPR。
其次是於接收端致力於補償傳送端因高PAPR所造成的非線性失真訊號。以近二十年通訊技術的發展，所有標準均採用前者的方式來規範通訊產品的製造，如4G LTE及5G NR可使用離散傅立葉轉換展頻OFDM(Discrete Fourier Transform Spread OFDM, DFT-s-OFDM)波形於UL傳輸，可使原OFDM波形之PAPR從10~12dB降至7~8dB，如採用π/2-BPSK調變則可再進一步降至6~7dB。其主因為此類方法可確保所傳出的訊號仍保持幾近無失真，且不會干擾鄰近頻帶之訊號，有利於接收端收訊品質的維持。如此，在嚴格限制所屬的通訊裝置所發出訊號的誤差向量幅度(Error Vector Magnitude, EVM)及射頻鄰信道功率比(Adjacent Channel Leakage Ratio, ACLR)必須小於標準訂定之數值下，可安全提升終端裝置的PA輸出效率。
然而，綜析現行各主要LPWA傳輸技術之UL波形，Sigfox、LoRa等均以單載波傳輸，NB-IoT則可選擇DFT-s-OFDM或單載波，其傳輸波形之PAPR僅介於0~7dB。
圖2 以接收端(AP)進行失真訊號補償之Wi-Fi HaLow省電架構。
惟Wi-Fi HaLow仍以OFDM波形進行傳輸，各類於傳輸端以非訊號失真方式降低PAPR之技術目前尚無法完全滿足LPWA的低成本及省電要求。倘若以IoT其特殊通訊情境重新思考現行的省電架構，在符合802.11ah頻譜遮罩(Spectral Mask)的條件下，近年沉寂已久於接收端補償失真訊號的方法，搭配傳送端較低的IBO或許可為Wi-Fi HaLow物理層節電帶來新契機(如圖2)，其因有三：
機器型通訊間歇特性
在增強型行動寬頻通訊(enhanced Mobile Broadband, eMBB)、超可靠度和低延遲通訊(Ultra-reliable and Low Latency Communications, URLLC)及大規模機器型通訊(massive Machine Type Communications, mMTC)的5G三大應用場景中，mMTC因考量省電而容許相當程度的傳輸延遲，意即作為接收端的AP在良好的排程規畫下(如事件觸發的感知器網路WSN)，將擁有足夠的時間進行訊號補償。
IoT終端設備低成本及低功耗條件迫使PAPR問題轉從AP端解決
有鑑於IoT終端設備的RF模組大多使用低成本的PA，晶片整體可提供的運算及電力資源亦相當有限，故UL從發射端處理PAPR問題的方法變得相當棘手。然而，AP相對擁有更充裕的運算資源及電力供應，若能採用從接收端進行訊號補償的方法處理PAPR問題，將可大幅降低終端設備RF的負擔。
誠然，接受端的訊號補償技術必須面臨通道響應的失真，但因許多IoT終端的移動性極低甚至是零，eMTC的通道環境及估測相比其餘兩種5G通訊情境將擁有較高的可行性。
機器型通訊UL流量突顯PAPR問題
由於許多IoT設備係應用於資料收集，UL的訊務量將遠大於DL，此與其餘兩種5G通訊情境有明顯的特性差異。如繼續採用現行在UL傳送端處理PAPR問題的方法於Wi-Fi HaLow，長期下來IoT終端所累積的額外耗電量不容小覷。Wi-Fi HaLow與現行部署程度相當成熟的傳統Wi-Fi擁有高度相容性，於各項LPWA傳輸效能都有不錯的表現，唯獨所使用的OFDM波形使其裝置耗電程度較其餘LPWA技術高，進而影響Wi-Fi HaLow的競爭力。
本文分析其耗電的主因並依IoT的傳輸特性提出新的省電架構，雖然在接收端處理高PAPR的技術目前尚未商業化，且所增加的AP運算負擔對於傳輸速度的影響仍有待評估，但此類技術於學術上的發展已相當成熟，極具發展潛力。建議未來可採用彈性的架構來因地制宜，對通道品質及AP忙碌程度等條件進行情境設計，與原傳輸模式切換使用，以求雙贏。
(本文由台灣資通產業標準協會提供，作者分別為大同大學電機工程系兼任講師/大同公司智慧能源事業部主任)