通訊效能/經濟效益完美搭配
sub-GHz無線系統優勢盡顯

sub-GHz無線電優勢超越2.4GHz  

sub-GHz無線電能提供相對簡單的無線解決方案，並且僅靠電池電力便能持續運作長達20年的時間。其明顯優於2.4GHz無線電的優點包含傳輸距離遠、低干擾、低功率等。  

傳輸距離遠  

窄頻操作的sub-GHz無線電能讓傳輸距離長達1公里甚至更長。這讓sub-GHz節點能與遠方集線器(Hub)直接溝通，毋須由一個節點跳至另一個節點，而對於傳輸距離短了許多的2.4GHz解決方案來說，如此的作法則是經常需要的。以下有三大理由可以說明sub-GHz在傳輸效能上優於2.4GHz。  

第一是當無線電電波在通過牆壁或其他障礙物時，訊號會變弱。衰減率會隨著頻率的升高而增加，因此2.4GHz訊號的衰減速度會快於sub-GHz訊號。第二，當反射自高密度的表面時，2.4GHz無線電電波變弱的速度也會快於sub-GHz。在高度擁擠的環境中，2.4GHz傳輸會快速地衰弱，如此會為訊號品質帶來負面影響。第三點是即使無線電電波是以直線進行，但是當它們碰到堅硬的邊緣(如建築物的角落)時，還是會彎曲。隨著頻率降低，繞射角會增加，這便讓sub-GHz訊號得以轉彎遠遠地繞過障礙物，以減輕阻擋效應。  

佛利斯方程式(Friis Equation)顯示sub-GHz無線電傳輸特性的優點所在，根據此方程式，可以了解2.4GHz的路徑損耗為8.5dB，高於900MHz的路徑損耗。

這樣的結果可讓900MHz無線電的傳輸距離增為2.67倍，這是因為功率每增加6dB，則傳輸距離約可增加為兩倍。為達到900MHz無線電所能達到的傳輸距離，2.4GHz解決方案必須額外增加8.5dB以上的功率。  

不易產生干擾  

空中充斥著來自各種來源的2.4GHz訊號，這些來源包括家庭和Wi-Fi Hub、支援藍牙的電腦和行動電話周邊，以及微波爐等，各種2.4GHz訊號在空中互相碰撞。2.4GHz訊號的擁擠導致許多干擾。sub-GHz ISM頻段大部分用於專用的低工作週期鏈結，彼此之間不太可能產生干擾。在此種較安靜的頻譜中，傳輸更為容易，嘗試次數也能大為減少，因此效率較高，且能大幅節省電池電力。  

低功率  

電源效率和系統傳輸距離來自於接收器靈敏度加上傳輸頻率的作用。靈敏度和通道頻寬成反比，因此較窄的頻寬可造就更高的接收器靈敏度，能以較低的傳輸頻率進行高效率運作。  

例如，在300MHz上若發射器和接收器晶體振盪器誤差(XTAL不準確)皆為10ppm(百萬分一)，則每一部分的誤差是3kHz；在應用上若要有效地發射和接收，則最小通道頻寬必須是誤差率的兩倍，或是6kHz，這對窄頻應用而言是很理想的。相同的條件下，若採用2.4GHz，則所需的最小通道頻寬為48kHz，對窄頻應用來說便會造成頻寬的浪費，且需要更多的運作電力。  

圖1　無線電頻率減少，則天線尺寸會成反比增加。

一般而言，所有在較高頻率上運作的無線電電路，包括低雜訊放大器、功率放大器、混合器和合成器等，都需要更多的電流才能達到較低頻率所能提供的效能。

傳輸距離、低干擾和低功耗是sub-GHz應用優於2.4GHz應用的基本優點。有一項缺點則常常被用來舉證為2.4GHz勝過sub-GHz之處，亦即用於sub-GHz網路的天線尺寸大於2.4GHz網路。例如用於433MHz應用的最佳天線尺寸可能長至7吋。然而，天線的尺寸和頻率是呈反比的，因此，如果節點大小是一個重要的設計考量，則開發人員可升高頻率例如高至950MHz，以使用較小的天線(圖1)。  

2.4GHz/sub-GHz鎖定特殊應用  

無論是2.4GHz或sub-GHz技術，在消費性、工業和汽車市場中都已相當普及。2008年的2.4GHz市場總量(TAM)是一億七千二百萬個，而sub-GHz市場總量為四億九千二百萬個，幾乎是前者的三倍。  

圖2說明了sub-GHz和2.4GHz在某些特定應用中已成為主流技術。汽車遙控門鎖為相當普遍的sub-GHz應用，在此應用中，最注重在長距離(100公尺以上)進行低資料傳輸速率傳輸，以及極長的電池壽命。對車庫遙控門鎖(GDO)和胎壓監控系統(TPMS)而言也是如此。

圖2　消費性、工業和汽車應用所採用的無線頻率趨勢

針對玩具、醫療設備、保全系統和建築物自動化等這些市場，會有兩種無線頻率並存於同一系統的情況。例如，在建築物保全中，須要使用2.4GHz無線電以滿足高資料傳輸速率的攝影機所需，同時也須採用sub-GHz協定，以布建由接近、壓力和加速感測器構成的網路。  

對無線應用的設計而言，需要考量的事項不只是傳輸距離、功耗、天線尺寸及數據速率。是否可在全球各地布建，以及軟體堆疊大小和成本也是必須注意的部分。  

須適用於全球布建  

對於許多無線應用而言，符合全球各地規格是相當重要的考量。例如，產品行銷全球的電玩遊戲機業者便針對其所有的遊戲機產品採用2.4GHz，因為這是全球通用的ISM頻段配置。同樣地，採用433MHz頻段的無線應用也是全球通用的sub-GHz ISM頻段配置，不過日本是唯一例外的市場。此外，915MHz被普遍用於北美和澳洲市場；868MHz則布建於歐洲全區；315MHz適用於北美、亞洲和日本。  

標準/專用解決方案並進  

有些無線電實體(PHY)層、媒體存取控制(MAC)和堆疊層的標準解決方案可同時 適用於2.4GHz和sub-GHz應用。802.15.4(PHY/MAC)、ZigBee、藍牙、6LoWPAN、Wi-Fi和RF4CE則被廣泛採用於2.4GHz解決方案。基於標準的sub-GHz解決方案則包括ZigBee(現階段唯一提供2.4GHz及868MHz、900MHz的sub-GHz雙版本協定)、EnOcean、io-homecontrol、ONE-NET、INSTEON和Z-Wave。  

在選擇可互相操作的節點時，雖然標準解決方案能提供毋須受限於某特定業者產品的優點，然而每一節點的成本和占板空間卻可能會比較多。例如，一個2.4GHz ZigBee無線電節點的成本可能接近2美元，軟體堆疊則可能需要128KB的嵌入式記憶體。反過來說，專用的sub-GHz節點一般是鎖定低成本系統，因此每一節點的成本約少了30～40%，且堆疊僅需要4KB記憶體，芯科實驗室(Silicon Laboratories)的EZMacPRO即是如此。  

藉由特殊化的解決方案和較小的軟體堆疊，專用的解決方案能實現更小的晶片尺寸並減少記憶體占板空間。更多的好處還包括：較不複雜的堆疊能簡化布建，並且減少維護成本。因此，專用的sub-GHz解決方案能滿足低成本的點對點區域網路所需，例如車庫門鎖或智慧家居系統等。  

邁向智慧電網　sub-GHz磨刀霍霍  

隨著智慧型電網技術的出現與大幅躍進，專有或基於標準的長距離傳輸、更為廣泛的sub-GHz網狀網路的商機已在成長中。  

智慧電網技術為出現於二十一世紀的一種電子技術，可強化二十世紀能源網路基礎建設的功能性，此種新技術可實現家庭和企業與公共事業之間的雙向通訊。在許多的智慧電網應用中，sub-GHz通訊提供許多顯而易見的好處，例如較長的傳輸距離可讓節點的數目減少，但是與之通訊的家庭和企業數目卻可增加，如此能為公共事業公司節省布建和維護的成本。再者，使用電池電力的瓦斯表和水表能在不更換電池的情況下運作多年。由於sub-GHz已成為儀表和公共事業間的長距離通訊連結所採用的主要頻段，因此多項針對全球各地的智慧能源應用如802.15.4G、Wireless MBUS等標準化的動作正在進行中。  

以自動電子儀表為例，能為公共事業企業帶來的好處頗多，包括改善穩定性和精確度、易於校準、提升安全性，以及提供更先進的收費功能等。整個系統能利用長距離、低成本的無線通訊進行智慧電網所需的有效數據交換(圖3)。

圖3　智慧電網應用的自動計量系統

在上述的例子中，自動計量系統可支援四種智慧儀表。首先，藉由測量所消耗的千瓦小時和負載的電力係數，以及電力被使用的時間，則此電表可支援多重速率計量；瓦斯和水表採用容積流量計，以測量一定數量的流水或瓦斯通過儀表的次數。由於這些儀表通常是使用電池供電，因此低操作功率是必要的；此外，熱量表讓公共事業能藉由測量用戶所使用的噸數(BTU)或千瓦數向顧客收取費用，這些是經由測量流過系統的熱水並記錄其輸入和排出的溫度而來的。  

配備sub-GHz無線電的每一種儀表皆能以快速且低成本的方式，將數據傳送至一個計量聚合器(樞紐)，它的作用為通往公共事業公司的閘道。反過來說，此聚合器則能透過此一相同的sub-GHz網路，讓公共事業公司和個別儀表溝通。如此能讓水和能源的使用更有效率，並為顧客提供更精確的收費服務。  

解決方案極具成本效益  

sub-GHz能為低數據速率系統如簡單的點對點連結到規模大上許多的網狀網路，提供極具成本效益的解決方案。在這些系統中，長距離傳輸、穩固的無線電連結及延長電池壽命是最優先的考量。更高的監控輸出功率、減少的吸收作用、較少的頻譜污染和窄頻操作都能增加傳輸距離。更佳的電路效率、強化的訊號傳送以及更小的記憶體占板空間，則能降低整體功耗，如此便能讓電池運作多年。  

(本文作者為芯科實驗室無線產品行銷總監)