在本系列文章的第一部分(3月號#432期)，探討為設計選擇理想無線技術的幾個考慮因素。包括授權和非授權頻段，以及幾個常見的頻段。還探討了通訊距離和影響通訊距離的各種因素，如輸出功率和接收器的靈敏度。第一部分最後討論了網路拓撲、網狀網路與點對多點以及一些相關的取捨，如成本、功耗和延遲。本文將討論其它考慮因素，包括共存性、功耗和安全性。
共存性
正如第一部分文章中所討論的，大多數無線方案都使用非授權頻段的共用頻譜。因此，這些頻帶中的頻段和通道面臨著來自各種類型的無線電和訊號的壓力(圖1)。
無線電相會干擾低功耗藍牙(Bluetooth Low Energy, BLE)連接和來自連接標準聯盟(前身為Zigbee聯盟)的Green Power協議。BLE具有跳頻的能力，每次都能檢測和保留繁忙通道的資訊並避開這些通道，稱為自我調整跳頻擴頻(AFHSS)(圖2)，在有Wi-Fi和Zigbee資料封包的情況下，大幅提高BLE的可靠性。
Zigbee技術不提供這種功能，但它可被分配到一個不與Wi-Fi通道重疊的通道。一般來說，BLE和Zigbee網路可共存。一個Wi-Fi網路需要由共存機制主動管理，或者需要設置Zigbee和Wi-Fi之間的通道，以儘量減少重疊。
市場的趨勢是在晶片上整合不同的無線電，因此共存性是個系統設計的問題，硬體和軟體都可以充分改良，以提供同時使用這些不同技術的最佳體驗。不過，也有未整合無線電的軟體方案。
如果共存不當，BLE上的音訊會出現停頓，Zigbee資料封包需要重試，整個Wi-Fi的傳輸量也會下降。成功的共存將減少衝突，並對來自不同協定的資訊進行優先排序，使所有協定的整體服務品質良好。共存是很容易被視為理所當然的，因為當它正常工作時，它是不被注意的。
功耗
互干擾的問題被稱為共存性(Coexistence)。2.4GHz Wi-Fi網路的高發射功率和相對較寬的頻寬，功耗是最重要的考慮因素之一。有一些基於物理學的基本限制和取捨，決定了實施各種協議所需的功耗。
發射器，也叫射頻(RF)功率放大器，是系統中功耗最大的部分。RF功率放大器是按其工作等級來描述的。A、B、AB和C類被認為是線性放大器，功率效率隨著放大器等級的提高而提高。例如，C類放大器比AB類效率更高。儘管效率提高了，但線性度會隨著等級的提高而降低。D、E、F、G類是非線性放大器，基本上是帶有諧振負載的開關，如果同時使用振幅和相位調變，則需要一個線性PA。然而，對於恆定的振幅調製，由於開關可以在電流幾乎為零時發生，因此使用一個開關放大器來最大化功率效率。由於這些不同的工作模式和眾多考慮因素，下面的例子假設一個理想的A類放大器，其效率為50%。
例如，一個功率放大器電晶體向50Ω負載(天線)提供+30dBm，效率50%，需約200mA。這還沒有考慮到其它任何系統功耗，只是功率放大器電晶體所需的功耗(被稱為汲極效率)(表1)。發射器還必須非常迅速地開關，並有準確的上升/ 下降時間。因此，細心的電源設計和退耦至關重要，特別是在電池供電的系統中，其能量有限，承受大的開關瞬變能力較小。
(a)
(b)
(c)
(d)
等式：
(a)汲極效率定義；
(b)把提供的功率從dBm轉換成mW；
(c)使用假設的汲極效率計算DC功耗(電源)；
(d)把DC功耗轉換成DC電流；
關於功率效率，最後要指出的是，RF工程師經常使用另一個指標，即附加功率轉換效率(PAE)。這將驅動功率放大器(Pinput(mW))所需的功耗考慮在內。PA有大型電晶體，預驅動電路會消耗大量的功率。
(e)附加功率效率(%)
一般來說，協定的性能越高，功耗就越大。例如，一個4×4的MIMO系統需要四個平行的接收和發射鏈，這使得功耗幾乎翻了四倍。這並不是一對一的關係，因為有些區塊是在鏈之間共用的，但由於增加了信號鏈，功耗仍然較高。
如果想執行電池供電的系統，實際通話時間和工作週期也是關鍵的考慮因素。對於像BLE溫度感測器信標這樣工作週期非常低的應用，使用一顆CR2032鈕扣電池可用達10年以上。這類應用的典型工作時間中工作週期占比約為1%，這意味著系統99%的時間是空閒的，因此在評估或設計電池和免電池(能量採集)工作時，睡眠或閒置電流是個關鍵參數。
其他電源當然是主電源或乙太網供電(PoE)。舉例來說，Wi-Fi網路攝影機通常由PoE供電。
一些工程師在設計無能源限制的應用如電源插座產品時，想要不考慮耗電問題，但這並沒那麼簡單。各國政府亦對設備的功耗進行更多的審查和監管，隨著越來越多的產品接通電源，漸進式的節電會產生巨大的規模影響，為了充分的經濟和社會效益，應該始終將功耗降到最低。另一個可能不太明顯的功耗考量是網路拓撲本身。
安全性
安全並不是真正的考慮因素，而是個要求。每個協定都包含內建的安全性。安全這個話題很難，甚至不太可能在這類的綜合論述文章中用簡短的段落來概括。但下面是需要考慮的幾個重點。
任何無線網路最易受影響的時刻是配對或連線的過程。此時，安全資訊需要在節點之間進行空中交換，而網路最易受影響。一個常見的方案是使用一個頻外(OOB)協議。例如，為了調試一個新的Wi-Fi路由器，可能會有一個QRcode，透過BLE觸發一個配對過程。BLE也是個很好的選擇，因其通訊距離有限，使得物理距離成為駭客的另一個障礙。當然，手機也可連接到雲端，在那裡可以檢索到安全資訊。在一些系統中，配對是透過一個專有的協定聯接完成的。
在配對之後，最基本的安全是對資料有效負載進行加密，這已經做了很長時間了。而目前，在一些協議中，如Wi-Fi，訊框管理和協議開銷也必須被加密，即使這樣也是不夠的，還必須有動態加密。如果沒有動態加密，駭客可以非常有效地探測到訊框，並對協定進行反向工程，或作為中間人，欺騙網路。動態加密的金鑰會隨著時間的推移而到期，因此，即使駭客進入了，也無法在不重新駭入的情況下回到過去或向前，有了動態加密，駭客還需要與實際的無線電進行互聯，而不是像過去常做的那樣在離線情況下對系統進行反向工程，離線的反向工程要快得多。
安全方案也必須與被保護內容的風險相適應。增加安全性會增加成本和維護費用，應該與被保護資料的價值經濟地匹配。以Zigbee技術為例，其主要是個信任根系統，當委託時，協定假定設備之間有一個信任根，這是個非常合理的假設，因為Zigbee網路沒有連接到網際網路，是在地網路，受系統管理員控制。
BLE經常被用於不需要完全安全且非常簡單的節點，使用者可能不在意其他人是否能訪問客廳溫度感測器資料，但可能會非常關注是否有人能夠入侵或更改易腐物品，如重要藥品的冷鏈標籤。因此，BLE根據不同的案例和被通訊的資料價值，提供可擴充的安全功能。
由於Wi-Fi是基於IP(網際網路協議)並連接到網路，它必須具有較高的安全級別。有不同級別的安全方案，對應特定應用的風險水準。例如：家用網路的要求比銀行或需要企業方案的辦公大樓的網路更寬鬆。
最後，關於安全問題，需要注意的是安全設計是永無止盡的。駭客和安全技術都在不停的玩貓捉老鼠的遊戲，這永遠不會改變，所以重要的是設計一些更新軟體的機制，以便系統能夠適應未來，並盡可能地保持安全。
系統設計挑戰迎刃而解
這系列文章包含兩部分，探討了在設計無線產品之前必須瞭解的各種系統層級考慮因素，包括通訊協議和互通性要求、頻段和共存、通訊距離、功耗、網路拓撲和安全性。
每種技術在生態系統中都有用武之地；只是要知道什麼最適合設計需要。安森美無線方案涵蓋所有案例，從中短距離到長距離及以上。無論開發簡單的溫度BLE感測器信標還是企業級的Wi-Fi，都能協助解決所有的無線設計挑戰。
(本文作者為安森美高級首席方案市場行銷工程師)
