跳频与扩频：无线机器对机器接口

不利之处

扩频技术并不能带来无限可用的带宽。这些技术让发射机共享带宽，但每增加一个发射机都会降低其它发射机的数据速率和传输范围。如果所有的发射机使用相同的协议，则对两者都会有影响。2.4GHz ISM 频段提供了干扰如何使所有的设备在此频段上无法工作的例子（参考文献4）。未经批准的 ISM 频段在设计上就包括了干扰源。这些未批准的2.4GHz 频段的开发人员进行这种设计，是因为微波炉磁控管在此频率上工作。这些微波炉对无线干扰会有较小但值得重视的影响。更麻烦的是，传导热量和融化的硫灯在此频段中提供了更多与通信无关的干扰。这些干扰源很受关注，允许使用的2.4GHz 频段有很多，由于FCC（美国联邦通信委员会）和其它管理机构允许多协议，使在某些领域的连接并不可靠。这些协议包括蓝牙协议采用的FHSS（跳频扩频技术）。女影星兼通信技术发明人Hedy Lamarr 在饰演钢琴师时发明了跳频无线电技术（图5 和参考文献 5）。在二战期间，她认为秘密电台通信能在战争中起重大作用。她觉得接收机可以像发射机一样跳到不同的频率，正如所饰演钢琴师弹琴键一样她的手指可跳到不同的琴键。这种认识实现了电台间可互相通信，并能防止窃听。



蓝牙协议将83 MHz 宽的2.4GHz ISM 频段分成79个1MHz 的片段。蓝牙设备可在32个频率间以最大1600 次跳/秒的速率跳跃。两个并列的蓝牙设备互相干扰的机会只有1/79了。当这种情况出现时，高级协议要求系统重新发送丢失的数据包。如果蓝牙设备跳到ZigBee 或Wi-Fi LAN的频率中，也会干扰这些设备。

客户无法满足的带宽需要促成了能提供11Mbps 速度的802.11b 标准。这些系统使用DSSS 技术，其中无线电使用83MHz 的22MHz 到2.4GHz ISM 频段。PRBS（伪随机二进制序列）相位在该频段中调制频率。与FHSS不同，DSSS 继续转变而不是在离散的频率上跳跃。 手机实施DSSS 允许多个发射机在相同的频段工作。可惜，Wi-Fi LAN使用的11 位Barker 代码提供了不充足的代码增益以允许CDMA（码分多址），尽管高级协议实施了CSMA（载波侦听多路访问）。发射机检测其它发射机等待的时间，直到信道寂静后，才能开始传输。802.11b的带宽分别只允许三个到四个设备在那些受FCC 和欧洲标准约束的国家中同时运行。如果有最大数量的设备在工作，就会出现对蓝牙、WirelessUSB、无绳电话和ZigBee 的干扰。

无线USB 可以是在3GHz及更高频率上的宽带无线电，但Cypress Semiconductor 还开发了2.4GHz Wireles sUSB 标准。像蓝牙一样，这种标准将2.4GHz 频段分成了79个1MHz 宽的频段，Cypress使用DSSS 而不是FHSS 来调制信号。连接并不会跳跃 79 个频段，而只在一个频段上工作。与这个实施相关的问题是频率捷变，如果不能在一个频率上建立或维持良好的连接，就会跳到其它频率。WirelessUSB 的开发人员将其目标定为代替线缆上，它具有较低数据速率的HID（人机接口设备）。2.4GHz ZigBee协议将该频段分成16个3MHz 宽的信道，每隔5MHz就有一个。采用DSSS 来调制信号，并不在16 个信道间跳跃，也不提供频率捷变。无绳电话和婴儿监视器使用2.4GHz ISM 频段。无绳电话可以使用FHSS 或DSSS。他们一般将2.4GHz 频段分成10 到20 个信道。电话很少有频率捷变，但允许用户选择一个工作信道，以避免噪声。



图6 显示了2.4GHz 频段中的所有无线电和协议。如果将频谱当作一个生态系统，可以将Wi-Fi 无线局域网视为食物链顶部的狮子。它们占用了大量的带宽，在忙时会吞没该区域的其它传输信号。蓝牙设备像昆虫在其79 个1MHz 的频段中游 走。它们到处游荡并且在不确定的时间出现，取决于是否有带耳机的人行走。如果蓝牙设备是昆虫，则ZigBee 就像土拨鼠，不时抬起头看看春天是否来到了。它占用了频段的较宽部分，但使用并不频繁。由于土拨鼠并不敏捷，且其洞穴总是在相同的频率上。Cypress WirelessUSB 就像鬣狗，一个敏捷的猎手，总是翻找清晰的频率来工作。一旦它发现了频率，就停留在那里，连续地发出低速率的信息。生态系统的最大问题是无绳电话。无绳电话就像老虎，可以吞掉一切生物。它们发送强大的信号，淹没了丛林中所有的其它动物。因此，几个Wi-Fi LAN 生产商建议客户不要使用无绳电话。未批准的2.4GHz 频段并不是无人管理的，FCC只确定了其电源等级。DSSS与FHSS调制方案的混合会对两种设备造成某些问题。

两种缓和因素为此带来希望：地区与某些无线设备不常使用的传输。即使能量较低的蓝牙发射机也比20 码远的无线LAN功率大。Dust Networks的工程师正努力克服这两个缺点。Dust并不能严格地实现ZigBee标准，因为该公司提供了频率捷变，Dust的设备可跳到不同的ZigBee频率以获得一个清晰的信道。Texas Instruments 也作了类似的努力。该公司在2005 年并购了ZigBee 的先驱 Chipcon。TI的新 ZigBee 发射机能以比ZigBee规范更高的敏感度和选择性来扩展无线电传播范围和抑制任何干扰。另一方法是使用一个不太拥挤的频段。 所有的ZigBee厂商的设备可以工作在800MHz 和900MHz 频段，而不是拥挤的2.4GHz 频段。较低的频率可提高传播范围。Zarlink 提供了不可移植的无线电芯片ZL70101，使用400MHz 到405MHz 的MICS（ 医疗植入通信服务）频段。设备以MAC（介质访问控制）提供了800kbps 数据速率，其中包括Reed-Solomon编码FEC（向前纠错）和CRC （循环冗余校验） 错误检测和重新发送来实现可靠的数据链路。

一个创新企业发现了构建光控产品的市场比ZigBee支持者所构想的网状网络更为简单。PulseSwitch Systems 的光控开关(Lightning Switch)使用压电驱动的发射机将代码发送到500W 交流线路控制器，控制器使用fob与遥控车库门采用的434MHz 频率。发射机不需要电池，因为用户在拨动开关时即可产生能量。“虽然某些遥控车库门开启系统和遥控车闩锁系统使用了FCC分配的相同频率，但我们的发射机不会打开别人的车库或车辆，”PulseSwitch 工程部总监Jeff Rogers 说。“我们使用一项获得专利的ID 代码系统，与车锁和遥控车库门开启系统所用的方式不同。”有2.68 亿个代码可供使用，他说，在相同的房间里可以有相同号的发射机接收机对，但它们彼此间或与其它工作于ISM频率上的设备间不会互相干扰。

试想有一种应用，到了排放检测的时候，DMV （机动车管理局）可以用来与你的车辆通信。车辆就会采集并传回污染性能数据（无须人为干预），实时通过路况条件和驱动周期数等。您就不必再去做排放检测了。然而，看一看蓝牙技术应用经历了一个漫长的过程才为人们接受，现在已成为人们生活中必不可少的一部分。EDN 责任编辑 Ron Wilson 指出，“可以从先驱者背后的箭头上认出他们。”Ricochet mobile 无线网络为没有成功的早期无线网状网络。M2M 的现实既不是可怜的失败也不是巨大的成功，而是处于两者之间。当有些人发明了杀手级应用时，我们都会一拍脑门问道，“ 为什么我没有想到？”