兼顧sub-GHz無線收發器射程與功耗　智慧型儀表運作更有效率

智慧型儀表是一種中央裝置，會把家用能源管理系統銜接到公用事業公司的長程後送(Long-range Backhaul)通訊上。公用事業的業者都在為智慧型儀表增添更多的巧思，提供區隔化產品及服務，並讓客戶在能源的選擇上能最符合本身的需求。

雙向無線通訊能夠根據消費者的能耗，將精確、即時的公用事業定價資訊傳送給他們。「時段差別」定價在現今雖然是司空見慣，但消費者現在可以有所依循地來決定家裡的大型電器要在哪個時段使用，才能降低能源費用。

選擇智慧型儀表的無線通訊技術是重大的決定，其必須審慎考慮各種設計上的選擇。在選擇最佳的通訊技術時，主要的考量因素包括建置成本、安全性、法規的適用性、射程與功耗等。

無線連結的通訊技術有許多種，例如無線區域網路(Wi-Fi)、藍牙(Bluetooth)、ZigBee和sub-GHz無線等。對於從電表後送到資料集中器和其他儀表之類的長程應用來說，sub-GHz技術是很普遍的選擇，因為其具有優異的傳輸特性、長程效能、低功耗操作，並可廣泛運用全球各地的免執照sub-GHz頻譜。

全球智慧型儀表市場可期

圖1　典型的無線儀表系統架構

在未來幾年，大量的智慧型儀表預計將在世界各地建置。英國是智慧型儀表先驅中最受矚目的市場之一，目標是要在2020年之前讓每個住家和小型企業都安裝智慧型的瓦斯表和電表。英國的這些建置將採用ZigBee及sub-GHz無線通訊來把3,000萬具裝置連上智慧電網。義大利的瓦斯表數量位居歐洲第二，約有2,100萬具，義大利打算在未來5年把其中的八成更換為智慧型儀表。從2015年起算的6年內，法國的天然氣業者GrDF則打算要安裝1,100萬具智慧型瓦斯表。外界普遍預期，歐盟所布建的智慧型儀表全都會採用169MHz和868MHz的頻段。

根據派克研究(Pike Research)的報告，截至2020年時，智慧型儀表在中國大陸的安裝基數將成長到3億7,700萬具。建置將細分成各種有線和無線技術，而且其中一大部分的儀表可望採用470～510MHz頻段的sub-GHz無線裝置。日本的東京電力公司已經宣布計畫在未來十年安裝2,700萬具智慧型儀表。

智慧型儀表採用sub-GHz技術

現今的智慧型儀表幾乎全都看得到sub-GHz無線技術。傳統儀表也很容易用sub-GHz無線通訊模組來改裝，並利用無線技術把服務或軟體升級。

最常使用的sub-GHz鏈路是儀表之間以及從儀表到資料收集器或集中器的通訊。sub-GHz網路一般都是免執照ISM區段的專用網路，如於美國就是902～928MHz。新興的趨勢則是以sub-GHz來與家中的電器通訊。

ZigBee和Wi-SUN之類的產業聯盟正努力把居家能源監控系統從實體到應用面的sub-GHz通訊協定標準化。這些結盟是為了讓任何廠牌的家電和智慧型儀表都能互通，以達到加緊腳步採用的目標。圖1顯示典型的無線智慧型儀表系統把消費者連往公用事業。

接著仔細地來看一下，在為智慧型儀表設計sub-GHz無線解決方案時的一些重要考量。

增加無線射程　設法降低能耗

把sub-GHz無線運用在任何應用中的一個主要優點，在於此頻段的長程能力。長程系統可降低建置成本，因為應付同樣數目的智慧型儀表所需要的集中器和中繼器比較少。當輸出功率和接收器的靈敏度不變時，頻率較低的射頻波可達距離會比較長。只要用Friis的路徑損耗公式就能看到這種現象，而且它是由物理定律所支配。 ..............公式1

公式1中的Pr是接收功率，Pt是發射功率，Gt和Gr是發射器和接收器的天線增益，R是天線之間的距離，λ是波長。

一般的經驗法則是，鏈路預算增加6dB，在戶外、視線環境中的射程就會倍增。因此，假設其他一切條件都相等，169MHz頻段的可達射程會比868/ 915MHz頻段要來得遠。

由於無線系統製造商試圖擠出每一dB的效能來得到最佳的鏈路預算，所以把其他的參數納入考量以有所依循地決定取捨便很重要。在常用的GFSK調變中，資料速率較低，會使靈敏度較佳，連帶使射程較長。不過，以較低的速率來傳輸封包也意謂著：發射器和接收器保持在工作模式的時間較長，所以會增加整體的能耗。

提高無線電的發射功率是增加射程的簡單方式(喊最大聲的人就贏)，但這種做法的代價就是能耗較高。有好幾種無線IC都提供內建功率放大器(PA)的解決方案，但主要的差別在於功率放大器的效率。例如芯科實驗室(Silicon Labs)的Si446x EZRadioPRO收發器在915MHz的頻段中只需18毫安培(mA)就能輸出+10dBm，或是85毫安培就能輸出+20dBm。

由於射程測試對環境和裝置的參數十分敏感，因此要精準、適切地比較不同廠牌的射頻收發器解決方案多半會很費事。評估時應該要謹慎，以確保頻率、發射功率、頻寬、封包結構、天線之類的無線電參數，以及計算位元錯誤率(BER)或封包錯誤率(PER)的方法全部都相當。表1是在顯示根據現有的收發器解決方案，不同資料速率的理想鏈路預算。

超低功耗成設計標的

無線智慧型儀表另一個主要的設計考量是功耗。低功耗操作對以電池供電的水表和瓦斯表至關重要，對電表影響則稍微小一點。電池供電的儀表一般都是採用亞硫酸氯鋰電池(LiSoCl2)，須要維持15到20年的低功耗工作週期運轉。這些亞硫酸氯鋰電池比智慧型儀表裡其他元件的成本要貴得多(成本約為收發器IC的7倍到10倍)，而若要常常更換廢電池，所耗費的材料與人工成本也遠高於增列昂貴電池前置作業的成本。

在瓦斯表和水表的系統裡，嵌入式元件往往有多半的時間是處於低功耗休眠或待機狀態中，所以這種狀態需要範圍在數10奈安培(nA)內的極低耗能。工作中的發射和接收電流也要很低，尤其是資料速率偏低時，因為它會拉長發射和接收的時間。例如以9.6kbit/s發射1,500位元組(Bytes)要花1.25秒，以500kbit/s則只要0.024秒。

功率放大器的效率是影響鏈路和功率預算的重要參數。發射功率較高，可擴大通訊的射程，犧牲的則是電池的壽命。另外一些應該納入考慮的參數包括：前序編碼能在幾個位元內快速被偵測到訊號、甦醒和回復休眠能以很快的時間變換狀態，以及無線電能自動調節裝置的工作週期，而不用在每次碰到甦醒和休眠時就中斷主微控制器(MCU)。

影響系統功耗的另一個因素是，無線電收發器讓主微控制器得以卸除部分的封包處理功能，例如前序編碼和字彙的同步偵測、曼徹斯特編碼和迴圈冗餘校驗(CRC)的計算。用無線電來執行其中大部分的功能，可讓微控制器花較少的時間來處理封包，並釋出記憶體和MIPS來執行其他的功能，或保持在低功耗的狀態。

由於儀表是定期發出通訊，而且工作週期一般都非常低，所以待機和接收電流低會是一大優勢。以芯科實驗室的EZRadioPRO收發器為例(圖2)，它在待機模式下只耗50奈安培。此外，這項裝置還能支援全組態式自動低工作週期模式，大幅降低系統功耗。

考量法規的適用性

圖2　針對智慧型儀表優化的sub-GHz無線收發器架構

採用sub-GHz無線技術有一個較具挑戰性之處，亦即法規和標準的適用性。設計人員如果試圖打造世界通用的智慧型儀表產品，2.4GHz頻段為全球通用，只要根據各地的法規規範來調整傳輸功率即可。不過，sub-GHz的頻率便因地而異，這對軟硬體的設計人員會是比較大的挑戰。ISM頻段免執照，而且一般都是sub-GHz無線電在使用。各國在頻譜的分配上都是獨立運作，其中一些共通的智慧型儀表頻率如表2及圖3所示。

有好幾個國家是將需執照的sub-GHz頻段用於公用事業，以避免受到其他的無線裝置所干擾。一般來說，這些需執照的頻段在法規適用性的規範上都比較嚴格。

以美國為例，FCC part 90適用於460MHz附近的需執照頻段。如果要符合特定的頻譜遮罩規範，如遮罩D，低資料速率的相位雜訊和窄頻效能就必須極佳。比較近期的整合式sub-GHz收發器在這個頻段上也已符合法規的規範，像芯科實驗室的Si446x EZRadioPRO元件就是如此。

智慧型儀表的設計大部分都是各個地區或頻段有專用的硬體，而不是以共通的設計來因應世界各地的規範。只要選用共通的前端相應拓撲，使同樣的布線能夠用於不同的地區，就可以把範圍縮小到只改變元件的數值。一般來說，低階的實體(PHY)參數都必須針對各個地區來優化，以符合法規標準的規範。

圖3　各地區布建智慧型儀表的sub-GHz頻率大不相同

如果要以盡可能最低的材料清單成本設計出完全適用的解決方案，就必須十分謹慎。諧波和雜波放射(Spurious Emission)已使許多設計人員徹夜難眠。為了確保在適用檢驗實驗室能過關，一定要準確控制功率並有板上過濾機制，以便讓放射減到最少。

封包長度、資料速率以及跳頻和頻道數目之類的協定選擇，主要都是受限於法規的規範。

注意標準的適用性

除了法規的適用性外，設計人員還必須了解多種無線標準和產業聯盟，如IEEE 802.15.4g/e、Wireless M-Bus、ZigBee和Wi-SUN。一切的跡象都顯示出，業界正朝著IEEE 802.15.4(g/e)式的標準解決方案邁進。而隨著終端產品得以互通，最終其將為消費者帶來更多選擇。這種互通性到頭來將使消費者能自由選擇所偏好的智慧型能源產品，而毋須理會提供能源的是哪家公用事業。

在歐洲，Wireless M-Bus是智慧型儀表的普遍選擇，但並沒有正式的認證流程。在世界上的其他地方，專有化施作(Proprietary Implementation)則是當前的建置主流。要是能有智慧電網方案的主要供應業者可以接受的世界標準，這將有助於加快建置的步伐。

IEEE 802.15.4g規範了實體層，而且一般都是由無線收發器本身來支援。媒體存取控制(MAC)層的功能，大部分都是施作在運轉於主處理器中的軟體堆疊裡。在某些不需要互通性的應用上，標準型的軟體堆疊或許不是最理想，尤其是在記憶體的需求和星形或網狀網路之類的架構選擇等方面。網路的延遲和功耗才是決定最終施作的主要因素。在這些例子中常常可以看到專有的軟體堆疊，或是混合式解決方案採用802.15.4g的元件加上專有化施作的頂層。

現今的半導體業者所提供的標準型和獨家堆疊，是經過優化後才在微控制器和無線收發器中運轉，並且容許部分的客製化。堆疊裡面存在複雜的PHY和MAC，而提供清爽簡單的使用者介面為關鍵所在。

sub-GHz發展繫於新興經濟體

射程、功耗和標準的適用性是決定sub-GHz無線設計的部分因素。偵測訊號快、數十奈安培的超低功耗待機電流和更快的變換狀態時間搭配強大的軟體解決方案，是在系統的層次上以新的方法來提升智慧型儀表效率的一些基本條件。

歐美在智慧型儀表系統的建置上雖然領先群倫，但這個市場的大舉成長仍要展望金磚國家之類的新興經濟體。中國大陸和印度是世界上人口最多的國家，對於安全、節能的儀表解決方案有著龐大的需求。在為智慧型儀表採用「智慧的」sub-GHz無線通訊上，它們正處於成長的趨勢中。

(本文作者為芯科實驗室無線嵌入式系統資深產品經理)