面向物聯(lián)網(wǎng)的Sub-GHz無線技術(shù)的解決方案分析

隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、智能電表、家庭自動化設(shè)施和可穿戴產(chǎn)品的爆炸性增長，物聯(lián)網(wǎng)（IoT）一詞已家喻戶曉。IoT涵蓋了遠(yuǎn)距離戶外網(wǎng)絡(luò)（如智能電網(wǎng)和市政照明）和短距離室內(nèi)網(wǎng)絡(luò)（如家居互聯(lián)和住宅安全系統(tǒng)）。許多公司已經(jīng)為IoT市場推出了眾多的創(chuàng)新型解決方案，并能提供安全狀態(tài)檢測等便利化的服務(wù)。物聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)系統(tǒng)架構(gòu)通常由大量的無線節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，從簡單的遙控設(shè)備到帶有可連接互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)的復(fù)雜無線網(wǎng)絡(luò)。這些網(wǎng)絡(luò)也能夠提供本地化的系統(tǒng)智能和云服務(wù)，如圖1所示。在本文中，將以智能家居系統(tǒng)為例，重點(diǎn)討論目前廣泛使用的Sub-GHz頻段低功耗、遠(yuǎn)距離無線互聯(lián)。

圖1：智能家居互聯(lián)系統(tǒng)架構(gòu)

選擇合適的無線解決方案

MCU和無線IC是IoT系統(tǒng)的主要組成部分，用于可連接設(shè)備應(yīng)用的MCU通常提供多種存儲選項(xiàng)和外設(shè)選項(xiàng)。如果沒有更多其它器件，那么無線IC（收發(fā)器、發(fā)射器和接收器）的選擇將與MCU同等重要而復(fù)雜。選擇大多數(shù)工作在免費(fèi)公用頻段的Sub-GHz器件，還是基于ZigBee、Bluetooth Smart或Wi-Fi等標(biāo)準(zhǔn)的2.4GHz器件，是需要仔細(xì)考慮的問題。當(dāng)為給定的IoT應(yīng)用選擇合適的無線協(xié)議時(shí)，沒有“一刀切”的解決方案。每一種無線選項(xiàng)都有其自身的優(yōu)缺點(diǎn)，具體的應(yīng)用需求（如網(wǎng)關(guān)或電池供電的終端節(jié)點(diǎn)）將決定互聯(lián)技術(shù)的選擇。

圖2：傳感器節(jié)點(diǎn)架構(gòu)

在那些要求能效高、電池壽命長（如要求電池使用壽命達(dá)5-15年），并且傳輸距離遠(yuǎn)的應(yīng)用中，Sub-GHz私有協(xié)議和開放式ZigBee標(biāo)準(zhǔn)是最常用的無線協(xié)議。Bluetooth適用于無需額外無線基礎(chǔ)設(shè)施的智能手機(jī)和平板電腦，可提供短距離、點(diǎn)對點(diǎn)連接。Wi-Fi是重視帶寬型應(yīng)用（如視頻流和無線熱點(diǎn)連接）最常采用的無線協(xié)議。Sub-GHz頻段非常適合長距離、低功耗、低速率的應(yīng)用（如煙感、門窗傳感器）和室外系統(tǒng)（如氣象臺、智能電表和資產(chǎn)跟蹤器）。

Sub-GHz技術(shù)是需要長距離和低功耗的無線應(yīng)用的理想選擇。窄帶傳輸能夠?qū)?shù)據(jù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)處的集中器，通常可以到幾英里遠(yuǎn)，而中間不需要接力傳輸。這種長距離傳輸能力減少了對于多個(gè)昂貴基站或中繼器的需求。專利型Sub-GHz協(xié)議允許開發(fā)者根據(jù)特定的需求優(yōu)化無線解決方案，不需要遵守可能給網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)帶來限制的標(biāo)準(zhǔn)。雖然許多現(xiàn)有的Sub-GHz網(wǎng)絡(luò)采用專利協(xié)議，但是業(yè)內(nèi)正在逐步向基于標(biāo)準(zhǔn)的、互操作的系統(tǒng)遷移。例如，IEEE802.15.4g標(biāo)準(zhǔn)正在向全球普及，獲得了多個(gè)工業(yè)協(xié)會（如Wi-SUN和ZigBee）的采用。在任何標(biāo)準(zhǔn)中，通常都有強(qiáng)制和可選的規(guī)格，提前確定適當(dāng)?shù)?a target="_blank">參數(shù)有助于設(shè)備的選擇。

低功耗性能

為功耗敏感和電池供電型應(yīng)用設(shè)計(jì)無線解決方案的開發(fā)人員必須關(guān)注無線IC的待機(jī)電流、低功耗模式和喚醒時(shí)間。例如，Sub-GHz頻段收發(fā)器就是這些應(yīng)用的理想選擇，因?yàn)檫@些節(jié)能型無線設(shè)備在待機(jī)模式下僅消耗40nA電流，且保持內(nèi)存數(shù)據(jù)不丟失，而從待機(jī)/休眠模式切換到接收模式僅需要440？s。此外，自治特性（如占空比循環(huán)模式）進(jìn)一步降低了平均接收電流消耗，在間歇性工作的系統(tǒng)中尤為如此。在這種情況下，基于片內(nèi)集成的可編程的32KHz休眠時(shí)鐘，無線電自動從休眠中喚醒并進(jìn)入接收模式。無線電會根據(jù)前導(dǎo)碼檢測和接收信號強(qiáng)度指示來評估信道數(shù)據(jù)的有效性，僅僅在接收到有效數(shù)據(jù)包才去喚醒主機(jī)MCU。如果沒有有效數(shù)據(jù)包，無線電自動返回到休眠模式，不會中斷和激活主機(jī)MCU。

在采用占空比循環(huán)模式中，三個(gè)主要因素決定了電流消耗：睡眠模式轉(zhuǎn)變到接收模式所消耗的能量、評估信道數(shù)據(jù)包有效性所需的時(shí)間，以及休眠模式電流。Sub-GHz頻段收發(fā)器的前導(dǎo)碼感應(yīng)模式極大地減少了信道訪問時(shí)間，并且不會降低靈敏度，同時(shí)顯著降低了平均接收電流。這些無線電收發(fā)器僅需要8位前導(dǎo)碼就能判斷前導(dǎo)符的有效性，而其他傳統(tǒng)Sub-GHz收發(fā)器則需要32位。平均接收電流的改善更有利于擁有較長前導(dǎo)符長度和較低數(shù)據(jù)速率的情形。在這些Sub-GHz收發(fā)器中，功率放大器PA消耗最大的電流，因此高效的PA設(shè)計(jì)也是獲得長電池壽命的關(guān)鍵。Sub-GHz頻段芯片集成了高效的+20dBmPA，能耗僅為85mA，比其它解決方案相比低40mA，且在+10dBm輸出功率時(shí)，PA消耗僅為18mA，因此可用紐扣電池進(jìn)行供電。

無線傳輸距離

在任何應(yīng)用中，采用Sub-GHz無線技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)是該頻段的長距離傳輸能力，即使在信號擁擠的環(huán)境下也不受影響。長距離傳輸系統(tǒng)減少了部署成本，服務(wù)相同數(shù)量設(shè)備時(shí)所需要的基站和中繼器更少。在給定的輸出功率下，低頻率傳輸能夠傳輸更遠(yuǎn)的距離。根據(jù)物理學(xué)原理，可以使用Friis公式進(jìn)行線路損耗分析來解釋這種現(xiàn)象。

公式1，

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

就通常經(jīng)驗(yàn)來說，在室外空曠環(huán)境下鏈路預(yù)算增加6dB將帶來雙倍的傳輸距離。所有其它條件相同的情況下，169MHz頻段的可達(dá)距離將優(yōu)于868/915MHz頻段。因?yàn)榫嚯x測試對測試環(huán)境和設(shè)備參數(shù)非常敏感，因此很難在不同廠家提供的RF收發(fā)器解決方案中進(jìn)行精確的同類比較。比較時(shí)要充分考慮無線電參數(shù)（如頻率、輸出功率、帶寬、包結(jié)構(gòu)、天線、位/包錯誤率計(jì)算方法等）。在室外空曠環(huán)境測試中，Sub-GHz頻段設(shè)備采用標(biāo)準(zhǔn)的高斯移頻鍵控（GFSK）調(diào)制方式，高頻段和低頻段傳輸距離都可達(dá)到8-10英里（13-16千米）。

系統(tǒng)傳輸距離是接收器靈敏度和傳輸頻率的函數(shù)。靈敏度與信道帶寬成反比，這意味著窄帶會有更高的接收靈敏度。信道帶寬取決于三個(gè)因素：數(shù)據(jù)速率、頻率偏置和晶體振蕩器精度。為達(dá)到有效的發(fā)送和接收，信道帶寬必須足夠滿足這三個(gè)因素。Sub-GHz頻段器件具有完全可編程的接收帶寬，從200Hz到850KHz，因而能夠在100bps速率下保持-133dBm的靈敏度，這是長距離室外傳感器應(yīng)用的理想選擇。在一些場合中，還可采用擴(kuò)頻機(jī)制代替標(biāo)準(zhǔn)的窄帶GFSK調(diào)制。較低的數(shù)據(jù)率需要較寬的頻帶，這樣傳輸效率低，但是傳輸功率也低。增加帶寬帶來的靈敏度損失可通過編碼進(jìn)行補(bǔ)償，每一個(gè)數(shù)據(jù)位可能被編碼成多個(gè)位，在更寬的頻帶中傳輸。這意味著，在相同的凈數(shù)據(jù)速率下，相對于傳統(tǒng)窄帶GFSK實(shí)現(xiàn)來說并沒有直接的靈敏度改善。

從擴(kuò)頻信號中解碼數(shù)據(jù)通常需要更長的前導(dǎo)碼來同步，這增加了包的傳輸時(shí)間，進(jìn)而降低了電池使用壽命?；?0-70dB之間的不同頻帶范圍，窄帶系統(tǒng)提供十分出色的臨道抑制能力，擴(kuò)頻信號不易受到干擾。不過，在近距離時(shí)，會對其它的窄帶信號或擴(kuò)頻設(shè)備有干擾，將顯著減少編碼系統(tǒng)的傳輸距離。擴(kuò)頻系統(tǒng)的優(yōu)勢之一是可以使用更低成本的晶體替代高成本的溫補(bǔ)晶體振蕩器（TCXO）?；贕FSK的窄帶系統(tǒng)通常需要使用TCXO以確保頻率精度和延伸傳輸距離。雖然標(biāo)準(zhǔn)晶體和TCXO之間的成本差異日趨縮小，但是先進(jìn)的收發(fā)器也能提供自動頻率補(bǔ)償（AFC）機(jī)制，因而可以進(jìn)一步減少頻率偏移所造成的影響。

圖3：窄帶和擴(kuò)頻信號產(chǎn)生的功率

結(jié)論

低功耗和長距離是確定Sub-GHz無線系統(tǒng)設(shè)計(jì)方向的重要因素?？焖傩盘杺蓽y、幾十納安的超低功耗待機(jī)電流、快速狀態(tài)轉(zhuǎn)換時(shí)間是構(gòu)建穩(wěn)健軟件解決方案的關(guān)鍵，能夠有效地提升可連接設(shè)備應(yīng)用的系統(tǒng)級能效。IoT市場正在快速演進(jìn)，各類高集成度、超低功耗的半導(dǎo)體器件以低價(jià)格不斷涌現(xiàn)，具有靈活架構(gòu)的超低功耗MCU和無線IC支持多種協(xié)議，將成為實(shí)現(xiàn)智能、互聯(lián)和低功耗型IoT世界的先導(dǎo)。

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