面向物聯(lián)網(wǎng)應用的遠距離、節(jié)能型Sub-GHz無線互聯(lián)

　　物聯(lián)網(wǎng)的互聯(lián)

　　隨著無線傳感器網(wǎng)絡、智能電表、家庭自動化設施和可穿戴產(chǎn)品的爆炸性增長，物聯(lián)網(wǎng)(IoT)一詞已經(jīng)家喻戶曉。IoT涵蓋了遠距離戶外網(wǎng)絡(例如智能電網(wǎng)和市政照明)和短距離室內(nèi)網(wǎng)絡(例如家居互聯(lián)和住宅安全系統(tǒng))。許多公司已經(jīng)為IoT市場推出了創(chuàng)新型解決方案，能夠提供安全狀態(tài)檢測等便利化的服務?；ヂ?lián)系統(tǒng)架構通常由大量的無線節(jié)點構成，從簡單的遙控設備到帶有可連接互聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)關的復雜無線網(wǎng)絡。這些網(wǎng)絡也能夠提供本地化的系統(tǒng)智能和云服務，如圖1所示。在本文中，我們將重點討論目前廣泛使用的Sub-GHz頻段的低功耗、遠距離無線互聯(lián)。

　　圖1 -互聯(lián)系統(tǒng)架構

　　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。用于可連接設備應用的MCU通常提供多種存儲選項和外設選項。如果沒有更多其他器件，那么無線IC(收發(fā)器、發(fā)射器和接收器)選擇將是與MCU同等重要的復雜抉擇。選擇大多數(shù)工作在免費公用頻段的Sub-GHz器件，還是基于ZigBee、Bluetooth Smart或Wi-Fi等標準的2.4GHz器件，是需要仔細考慮的問題。當為給定的IoT應用選擇合適的無線協(xié)議時，沒有“一刀切”的解決方案。每一種無線選項都有其自身的優(yōu)缺點，具體的應用需求(例如網(wǎng)關或電池供電的終端節(jié)點)將決定互聯(lián)技術的選擇。

　　圖2 - 傳感器節(jié)點架構

　　在那些要求能效高、電池壽命長(要求電池使用壽命達5-15年)，并且傳輸距離遠的應用中，Sub-GHz私有協(xié)議和開放式ZigBee標準是最常用的無線協(xié)議。Bluetooth適用于無需額外無線基礎設施的智能手機和平板，提供短距離、點對點連接。Wi-Fi是重視帶寬型應用(例如視頻流和無線熱點連接)最常采用的無線協(xié)議。Sub-GHz頻帶非常適合長距離、低功耗、低速率的應用(例如煙感、門窗傳感器)和室外系統(tǒng)(例如天氣臺、智能電表和資產(chǎn)跟蹤器)。

　　Sub-GHz無線互聯(lián)

　　Sub-GHz技術是需要長距離和低功耗的無線應用的理想選擇。窄帶傳輸能夠?qū)?shù)據(jù)傳輸?shù)竭h處的集中器，通?？梢缘綆子⒗镞h，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)自己的特定需求優(yōu)化無線解決方案，不需要遵守可能給網(wǎng)絡實現(xiàn)帶來限制的標準。雖然許多現(xiàn)有的Sub-GHz網(wǎng)絡采用專利協(xié)議，但是業(yè)內(nèi)正在逐步向基于標準的、互操作的系統(tǒng)遷移。例如，IEEE802.15.4g標準正在向全球普及，獲得了多個工業(yè)協(xié)會(例如Wi-SUN和ZigBee)的采用。在任何標準中，通常都有強制和可選的規(guī)格，提前確定適當?shù)膮?shù)有助于設備的選擇。下面我們將就Sub-GHz無線網(wǎng)絡中的能源效率和無線傳輸距離，展開詳細論述。

　　低功耗

　　為功耗敏感和電池供電型應用設計無線解決方案的開發(fā)人員必須關注無線IC的待機電流、低功耗模式和喚醒時間。例如，Silicon Labs的EZRadio和EZRadioPRO Sub-GHz收發(fā)器就是這些應用的理想選擇，因為這些節(jié)能型無線設備待機模式下僅消耗40nA電流，且保持內(nèi)存數(shù)據(jù)不丟失，并且從待機/休眠模式切換到接收模式僅需要440μs。此外，自治特性(例如占空比循環(huán)模式)進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休眠時鐘，無線電自動從休眠中喚醒并進入接收模式。無線電會根據(jù)前導碼檢測和接收信號強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MCU。

　　圖3 - 接收器自治占空比循環(huán)

　　在采用占空比循環(huán)模式的應用中，三個主要因素決定了電流消耗：睡眠模式轉變到接收模式所消耗的能量、評估信道數(shù)據(jù)包有效性所需的時間、以及休眠模式電流。EZRadio和EZRadioPRO收發(fā)器的前導碼感應模式極大的減少了信道訪問時間，并且不會降低靈敏度，同時顯著降低了平均接收電流。這些無線電收發(fā)器僅需要8位前導碼就能判斷前導符的有效性，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設計也是獲得長電池壽命的關鍵。EZRadio和的EZRadioPRO芯片集成了高效的+20dBm PA，能耗僅為85mA，比其他解決方案相比低40mA。在+10dBm輸出功率時，PA消耗僅為18mA，因此可用紐扣電池進行供電。

　　無線傳輸距離

　　在任何應用中，采用Sub-GHz無線技術的主要優(yōu)點是在該頻段的長距離傳輸能力，即使在信號擁擠環(huán)境下也不受影響。長距離傳輸系統(tǒng)減少了部署成本，服務相同數(shù)量設備時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的距離。根據(jù)物理學原理，可以使用Friis公式進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)驗來說，在室外空曠環(huán)境下鏈路預算增加6dB將帶來雙倍的傳輸距離。所有其他條件相同的情況下，169MHz頻段的可達距離將優(yōu)于868/915MHz頻段。因為距離測試對測試環(huán)境和設備參數(shù)非常敏感，因此很難在不同廠家提供的RF收發(fā)器解決方案中進行精確的同類比較。比較時要充分考慮無線電參數(shù)(如頻率、輸出功率、帶寬、包結構、天線、位/包錯誤率計算方法等)。在室外空曠環(huán)境測試中，EZRadioPRO設備采用標準的高斯移頻鍵控(GFSK)調(diào)制方式，高頻段和低頻段傳輸距離都可達到8-10英里(13-16千米)。

　　表1顯示了EZRadioPRO收發(fā)器在不同速率下的鏈路預算情況。

　　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因素：數(shù)據(jù)速率、頻率偏置和晶體振蕩器精度。為使應用進行有效的發(fā)送和接收，信道帶寬必須設置到足夠滿足這三個因素。EZRadioPRO器件具有完全可編程的接收帶寬，從200Hz到850KHz，從而能夠在100bps速率下保持-133dBm的靈敏度，這是長距離室外傳感器應用的理想選擇。在一些應用中，采用擴頻機制代替標準的窄帶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行補償，每一個數(shù)據(jù)位可能被編碼成多個位，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實現(xiàn)來說并沒有直接的靈敏度改善。

　　從擴頻信號中解碼數(shù)據(jù)通常需要更長的前導碼來同步，這增加了包的傳輸時間，進而降低了電池使用壽命。基于60-70dB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。展頻信號不易受到干擾。不過，在近距離時，會對其他的窄帶信號或擴頻設備有干擾，將顯著減少編碼系統(tǒng)的傳輸距離。擴頻系統(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。雖然標準晶體和TCXO之間的成本差異日趨縮小，但是先進的收發(fā)器(例如EZRadioPRO)也提供自動頻率補償(AFC)機制，因而可以進一步減少頻率偏移所造成的影響。

　　圖4 - 窄帶和擴頻信號

　　結論

　　低功耗和長距離是確定Sub-GHz無線系統(tǒng)設計方向的關鍵因素?？焖傩盘杺蓽y、幾十納安的超低功耗待機電流、快速狀態(tài)轉換時間是構建穩(wěn)健軟件解決方案的關鍵，能夠有效提升可連接設備應用的系統(tǒng)級能效。IoT市場正在快速演進，各類高集成度、超低功耗的半導體器件以低價格不斷涌現(xiàn)。具有靈活架構的超低功耗MCU和無線IC支持多種協(xié)議，將成為實現(xiàn)智能、互聯(lián)和低功耗型IoT世界的先導。

　　Vivek Mohan

　　Silicon Labs公司無線產(chǎn)品資深產(chǎn)品經(jīng)理

　　Vivek Mohan是Silicon Labs微控制器和無線產(chǎn)品事業(yè)群無線互聯(lián)產(chǎn)品(包括Sub-GHz無線電)的資深產(chǎn)品經(jīng)理。他于2010年加入Silicon Labs，擔任短距離無線產(chǎn)品應用工程經(jīng)理。在加入Silicon Labs之前，他在Marvell Semiconductor公司擔任無線SoC產(chǎn)品的應用工程和設計驗證師。Mohan先生擁有南加州大學(University of Southern California)電氣工程碩士學位。