嵌入式無線方案結合一個嵌入式處理器或系統，以及一個用來進行通訊的無線介面。這些成長快速的系統除了應用於消費性、醫療、甚至農業用系統中的各種多元功能產品外，亦可支援各類新形態的工業、商業、以及家用建築自動化產品。不過因為功耗或者是缺乏理想的功耗效能，因此影響上述低資料傳輸率產品對於理想解決方案的需求。

嵌入式無線應用的功耗量測，並不是僅把所有零件功耗加總起來，雖然這卻是經常使用的方法，用來為特定應用比較選擇出要使用的元件。但這種用來取得可計量標準的基本方法，並不是真正合適的方法，因為無法完全反映出這些元件在整體系統中的互動與執行狀況。

其實焦點應該放在無線系統的功耗上，以及特定無線解決方案在減少這類昂貴資源上的表現。可靠度是一種經常被忽略、但卻同樣重要的系統屬性，但卻能壓低一個無線系統的功耗。可靠度在這方面指的是，系統在單一次嘗試時、將資料從A點傳送到B點的能力。這能反映出嵌入式無線應用其可靠度與功耗之間的關係，以及應如何最佳化可靠度與功耗效率。

可靠度與功耗之間的關聯

選擇低功耗應更考慮可靠度

在大多數嵌入式無線應用中，就功耗而言，代價最昂貴的就是收發器元件的傳輸功耗。現今市面上有許多不同的收發器元件，在比較資料表中的數據時，通常可看到落在20～30mA範圍中的功耗值，但若選擇最低額定功耗的元件，可能就會忽略更重要的系統可靠度屬性。

為什麼可靠度如此重要？對一個低功耗應用而言，每一uA或mA都相當重要，判斷一個應用需要多長時間來維持運作。高功耗狀態、極低功耗、與休眠狀態的時間比率，此時可靠度就是一項最重要的判斷屬性，可靠度越高功耗就越低。在理想的狀態中，完美的無線系統只須一次就能以最快的速度把資料從A點傳送到B點。當然，沒有系統能永遠如此完美地執行這樣的任務，總是會因干擾或訊號強度不足，無法送達遠端終點，而必須重新傳送，因此促使業者努力追求無線系統的可靠度。

無線通訊系統可靠度主要內容

無線系統具備許多特色，能協助檢驗它們在特定系統中可靠地反應之能力。像射頻頻譜的使用狀況，就是用於進行通訊的射頻頻譜中，該技術的接收靈敏度，便是收發器需要多少的時間來接收訊號，才能完成通訊流程，量測單位是以分貝計算的功率比1mW（dBm）。至於輸出功耗指的是一種技術在通訊時，在各種潛在的干擾下，能發出最高的訊號功率，單元為dBm。而射頻敏捷度則是特定技術在射頻頻譜中移動頻率並避免干擾的能力，實質上是射頻頻道大小與可用頻道數量的推算函數。另外還有抗干擾能力，射頻技術在面臨干擾時，在一個特定頻道中進行通訊的能力，測量的單位是接收靈敏度的增加幅度，亦稱為編碼增益（dBm）。

小波長ISM頻段應更注意可靠度變數

受到環境影響的RF頻譜使用率，在可靠度的公式中是一個變數，這是因為射頻電波的物理特性所致。頻率越低，波長就越長，因此較不易被常見的建築材料所吸收，像是液體以及強化水泥。射頻頻譜的使用，須受到政府的嚴苛管制，目的是為了讓各種無線通訊技術之間的干擾降到最低。目前僅有少量的頻譜區段被保留，供地區性或國際間用來進行免頻段授權的通訊，這些頻段稱為工業、科學、醫療ISM頻段。在這種頻段中，最主要且經常被用到的就是2.4 GHz部分的ISM頻段。在這個頻率上，小波長的訊號很快就會被工業環境中不利射頻的物體所吸收，因此必須更加注意可靠度公式中的其他變數。

鏈路預算與DSSS調變

接收靈敏度、輸出功率甚至抗干擾能力，都可以被量化，以構成一個更大更重要的變數來定義可靠度，亦即鏈路預算。鏈路預算的定義是接收靈敏度的絕對值加上輸出功率與抗干擾能力。因此，接收靈敏度越高、輸出功率越大、抗干擾能力越強，解決方案就能擁有更高的鏈路預算。鏈路預算越大，無線解決方案就越不容易受到射頻波吸收與干擾的影響，因此具備更高的可靠度。

收發器的接收靈敏度以及輸出功率，一般都是元件層級的差異因素，而且可輕易地評估與比較。但談到抗干擾能力，就涉及到無線收發器為了改進抗干擾能力所使用的技術類型。在直接改良此功能方面，現今最佳技術之一就是直接序列展頻（DSSS）調變。

DSSS調變本質上是一種執行前向錯誤修正的訊號傳送方法，能減少因訊號干擾產生的資料流失。直接序列展頻會根據傳送器與接收器共用的虛擬隨機雜電碼（pseudo-random noise code；PRN），把大量資料編碼成一大串位元流。例如，在圖一中可看到8位元的資料被編碼成32個片段（chip）。在這個例子中，4個片段等於1個位元。這些資料片段之後會經過調變，成為射頻訊號後再加以傳送。接收器會把接收到訊號中的片段進行解調變，然後逆向執行直接序列展頻程序。即使因訊號雜訊或是有干擾而導致解調變出現錯誤，系統也能將訊號復原出原始的資料內容。

《圖一　直接序列展頻示意圖》

避免干擾技巧提高可靠度

最後，射頻敏捷度能透過各種避免干擾的技巧來提高可靠度，包括跳頻或是在射頻頻譜範圍內移動頻率。一個解決方案移動頻率的自由度越高，就越適合在較無射頻的環境中使用，且接收訊號時的干擾也較少。現今使用的各種敏捷射頻技術，包括虛擬隨機或是根據演算法的跳頻法，都能持續在頻譜中切換，藉以將干擾減到最少，或是其他更聰明的方法，如在有必要時才進行切換。如圖二所示。

《圖二　跳頻法（Channel Hopping）示意圖》

從第一個跳頻方法的可靠度方面來看，問題在於充滿訊號的射頻頻譜中，難以避免地必須跳到頻譜中某個含有高干擾源的區段，智慧型系統則能找到一個較無干擾的區段，然後停止跳頻。

射頻特性與可靠度

不論使用何種跳頻方法，射頻敏捷度仍是包括射頻頻譜使用率與頻道大小所規範的函數。根據射頻頻譜的使用狀況，會得到或多或少的調整空間。例如，較低頻率解決方案的空間幅度會低於較高頻率的解決方案，因為面臨頻率配置上的限制。2.4 GHz解決方案含有約100 MHz的可用頻譜，而900 MHz滿足各種解決方案則僅有約26MHz的調整空間。在決定射頻敏捷度方面，頻道大小也是一個重要因素，頻道越小，頻譜敏捷度的空間就越大，射頻的敏捷度就越高，系統就更能避免干擾，能在各種干擾源中順利通訊。例如，在2.4 GHz的無線解決方案中，802.15.4解決方案通常頻道寬為5MHz，僅含有16個可用的頻道，而1MHz寬的解決方案通常有80個可用的頻道，因此有更多空間來配置與移動，以避免干擾。

可靠度：鏈路預算＋射頻敏捷度

因此可靠度的公式是鏈路預算加上反映射頻頻譜使用狀況的射頻敏捷度。鏈路預算越高，射頻敏捷度就越高，無線解決方案在相同射頻頻譜中的可靠度就越高。此外，就算某種解決方案在某種環境中使用適合的射頻頻譜區段，像是水管工廠使用較低的頻率，但若拿來和其他頻率較高的解決方案，也會相形失色，因為它們能提高鏈路預算與射頻敏捷度。因此，雖然在數額上沒有差異，但在比較各種無線解決方案時，便容易瞭解為何要利用各種方法來提高系統休眠時間與節省代價昂貴的電力。

最佳化可靠度與省電效率

嵌入式無線解決方案的另一個新名詞就是省電效率，運用系統被動與主動技術的改良方式，藉以降低耗電量，效率越高代表越省電。高可靠度系統，在大多數時間都會切換到休眠模式這種耗電量最低的狀態，如此通常會比其他系統更省電。其他系統也會儘可能減少切換到傳送與接收模式的時間，但可靠度較低，因為這些系統切換至休眠模式時間會較少。因此可靠度是能衡量系統真正省電效率的指標。

除此之外還有其他技巧能用來提高用電效率，並把系統可靠度的影響減到最低。其中包括各種系統行為，像是運作鏈路與功耗管理，用來控制動態資料率以及輸出功率層級。有一種解決方案能持續降低輸出功率，確保僅進行最低程度的必要通訊，藉由降低不必要的輸出功率，來維護可靠度與省電性。另外，有種解決方案能根據環境狀況來調整其資料傳輸率，並減少無線傳輸的時間，亦能降低系統耗電量並提高其用電效率。此類省電技術不一定是無線電領域的新作法，但以往並沒有人用它們來真正降低系統耗電量。

結論

可靠度是一項重要的省電指標，經過最佳化後能夠增加休眠時間比率，並減少無線傳輸時間。可靠度亦代表在線上資料中常用來比較元件的方法，並無法反映出各種系統層級功能的性能，像是省電與可靠度。量測系統中使用元件的額定耗電量，使用傳統方式來比較各種無線解決方案，並無法完全反映出某個解決方案在降低系統耗電量的能力。一個高可靠度系統在絕大多數的時間都切換在最低功耗狀態，也就是休眠模式，不僅代表更加省電，比其他系統保留更多系統電力，其他系統不但傳輸與接收功率較低，而且可靠度也比較低。這是因為這些系統切換至休眠的時間較少，且花在更新進行無線傳輸的時間更多所致。

（本文作者任職於美商賽普拉斯Cypress半導體）