選擇合適的無線技術（二）：共存性、功耗和安全性

在本系列文章的第一部分，我們探索了為設計選擇理想的無線技術的幾個考慮因素。我們評介了授權和免授權頻譜，以及幾個常見的頻段。我們還探討了通信距離和影響通信距離的各種因素，如輸出功率和接收器的靈敏度。第一部分最后討論了網絡拓撲，探索了網狀網絡與點對多點以及一些相關的取舍，如成本、功耗和延遲。本文將討論其他考慮因素，包括共存性、功耗和安全性。不知您對這個術語是否熟悉，共存性指的是設備需要在一個共同的頻段內共存并一起工作。

1   共存性

正如第一部分文章中所討論的，大多數無線方案都在使用免授權頻段的共享頻譜。因此，這些頻帶中的頻段和信道面臨著來自各種類型的無線電和信號的壓力。無線電相互干擾的問題被稱為共存性。這個話題在應用注釋“Coexistence in 2.4 GHz（吉赫茲）”中進行了深入探討，所以這里只提供一個簡單的摘要。

2.4GHz Wi-Fi^?（無線高保真）網絡的高發射功率和相對較寬的帶寬，會干擾Bluetooth?（藍牙）Low Energy（低功耗）聯接和來自連接標準聯盟?（前身為Zigbee 聯盟^?）的Green Power?（綠色能源）協議。藍牙LE 具有跳頻的能力，每次都能檢測和保留繁忙信道的信息并避開這些信道。這被稱為自適應跳頻擴頻（AFHSS），在有Wi-Fi 和Zigbee^?（紫蜂）數據包的情況下，大大提高了藍牙低功耗的可靠性。

Zigbee 技術不提供這種功能，但它可被分配到一個不與Wi-Fi 信道重疊的信道。一般來說，藍牙LE（低功耗）和Zigbee 網絡可共存。一個Wi-Fi 網絡需要由共存機制主動管理，或者需要設置Zigbee 和Wi-Fi 之間的信道，以盡量減少重疊。參考圖1 和圖2 所示。

圖1 簡化的頻率圖

圖2 簡化的頻率圖的時域視圖，顯示了藍牙LE信道如何跳頻以及跳過占用的信道

市場的趨勢是在芯片上集成這些不同的無線電，因此共存性是個系統設計的問題，硬件和軟件都可以充分優化，以提供同時使用這些不同技術的最佳體驗。不過，也有未集成無線電的軟件方案。

如果共存不當，藍牙LE 上的音頻會出現停頓，Zigbee 數據包需要重試，整個Wi-Fi 的吞吐量也會下降。成功的共存將減少沖突，并對來自不同協議的信息進行優先排序，使所有協議的整體服務質量良好。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。

2   功耗

功耗是最重要的考慮因素之一，有一些基于物理學的基本限制和取舍，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。盡管效率提高了，但線性度會隨著等級的提高而降低。D、E、F、G 類等是非線性放大器，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制，則需要一個線性PA。然而，對于恒定的振幅調制，由于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。

由于這些不同的工作模式和眾多考慮因素，示例中假設一個理想的A 類放大器，其效率為50%。一個功率放大器晶體管向50 Ω（歐姆）負載（天線）提供+30 dBm（分貝毫瓦），效率50%，需約200 mA（毫安）電流。這還沒有考慮到其他任何系統功耗，只是功率放大器晶體管所需的功耗（被稱為漏極能效）。發射器還必須非常迅速地開關，并有準確的上升/ 下降時間。因此，細心的電源設計和去耦至關重要，特別是在電池供電的系統中，其能量有限，承受大的開關瞬變的能力較小。

表1 PA晶體管功耗與輸出功率的關系，50 Ω負載，50%漏極效率

等式：

a）漏極效率定義

b）把提供的功率從dBm 轉換成mW

c）使用假設的漏極效率計算DC 功耗（電源）

d）把DC 功耗轉換成DC 電流

關于功率效率，最后要指出的是，RF 工程師經常使用另一個指標，即附加功率效率（PAE）。這將驅動功率放大器（PinputmW)）所需的功耗考慮在內。功率放大器（PA）有大型晶體管，預驅動電路會消耗大量的功率。

一般來說，協議的性能越高，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。這并不是一對一的關系，因為有些塊是在鏈之間共享的，但由于增加了信號鏈，功耗仍然較高。

如果您想運行電池供電的系統，實際通話時間和占空比也是關鍵的考慮因素。對于像藍牙LE 溫度傳感器信標這樣占空比非常低的應用，使用一節CR2032 紐扣電池可工作達10 年以上。這類應用的典型工作時間占空比約為1%，這意味著系統99% 的時間是空閑的。因此在評估或設計電池和免電池（能量采集）工作時，睡眠或閑置電流是個關鍵參數。

其他電源當然是主電源或以太網供電（PoE）。舉例來說，基于Wi-Fi 的網絡攝像機通常由PoE 供電。

一些工程師在設計那些接通幾乎無限制的能源如市電的產品時，想要不考慮耗電問題，但這并沒那么簡單。各國政府正越來越多地對設備的功耗進行審查和監管。隨著越來越多的產品接通電源，增量的電力節省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絡拓撲本身。

3   安全性

安全并不是真正的考慮因素，而是個要求。每個協議都至少有內置的安全性。安全這個話題很難甚至不可能在像這樣的綜述文章中用一個簡短的段落來概括。但下面是需要考慮的幾個突出點。

任何無線網絡最易受影響的時刻是配對或上機的過程。這時，安全信息需要在節點之間進行空中交換，而使得網絡最易受影響。一個常見的方案是使用一個帶外（OOB）協議。例如，為了調試一個新的Wi-Fi 路由器，可能會有一個二維碼，通過藍牙LE 觸發一個配對過程。藍牙LE 也是個很好的選擇，因其通信距離有限，使得物理距離成為黑客的另一個障礙。當然，手機也可聯接到云端，在那里可以檢索到安全信息。在一些系統中，配對是通過一個專有的協議鏈接完成的。

在配對之后，最基本的安全是對數據有效載荷進行加密，這已經做了很長時間了。然而，現在在一些協議中，如Wi-Fi，管理幀和協議開銷也必須被加密。即使這樣還是不夠的，還必須有動態加密。如果沒有動態加密，黑客可以非常有效地探測到幀，并對協議進行反向工程，或作為中間人欺騙網絡。動態加密的密鑰會隨著時間的推移而到期，因此，即使黑客進入了，他們也無法在不重新黑客的情況下回到過去或向前。有了動態加密，黑客還需要與實際的無線電進行交互，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。幸運的是，現在這已經不可能了。

安全方案也必須與被保護的內容的風險相適應。增加安全性會增加成本和維護費用，應該與被保護的數據價值經濟地匹配。舉個例子，Zigbee 技術主要是個信任根系統。當委托時，協議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 網絡沒有聯接到互聯網，是本地網絡，受系統管理員控制。

藍牙LE 經常被用于不需要完全安全的非常簡單的節點。您可能不在意其他人是否能訪問您的客廳溫度傳感器數據，但您可能會非常關注是否有人能夠入侵或欺騙易腐物品如重要藥品的冷鏈標簽。因此，藍牙LE 根據不同的用例和被通信的數據價值，提供可擴展的安全功能。

由于Wi-Fi 是基于IP（互聯網協議）并聯接到互聯網，它必須具有盡可能高的安全級別。有不同級別的安全方案，對應特定應用的風險水平。例如，家庭網絡的要求比銀行或需要企業方案的辦公大樓的網絡更寬松。

最后，關于安全問題，需要注意的是安全設計是永不休止的。黑客和安全技術都在不停地玩貓捉老鼠的游戲，這永遠不會改變，所以重要的是您的設計有一些更新軟件的機制，以便系統能夠適應未來，并盡可能地保持安全。

4   總結

這系列文章包含兩部分，探討了在設計無線產品之前必須了解的各種系統級考慮因素，包括通信協議和互操作性要求、頻段和共存、通信距離、功耗、網絡拓撲和安全性。

每種技術在生態系統中都有用武之地；只是要知道什么最適合您的設計。安森美無線方案涵蓋廣泛，從中短距離到長距離及以上。無論您是開發簡單的溫度藍牙LE 傳感器信標還是企業級的Wi-Fi，我們都能助您解決所有的無線設計挑戰。

（本文來源于《電子產品世界》雜志2022年2月期）