面向物联网应用的远距离、节能型Sub-GHz无线互联

物联网的互联

随着无线传感器网络、智能电表、家庭自动化设施和可穿戴产品的爆炸性增长，物联网(IoT)一词已经家喻户晓。IoT涵盖了远距离户外网络(例如智能电网和市政照明)和短距离室内网络(例如家居互联和住宅安全系统)。许多公司已经为IoT市场推出了创新型解决方案，能够提供安全状态检测等便利化的服务。互联系统架构通常由大量的无线节点构成，从简单的遥控设备到带有可连接互联网的网关的复杂无线网络。这些网络也能够提供本地化的系统智能和云服务，如图1所示。在本文中，我们将重点讨论目前广泛使用的Sub-GHz频段的低功耗、远距离无线互联。



图1 -互联系统架构

选择合适的无线解决方案

MCU和无线IC是IoT系统的主要组成部分。用于可连接设备应用的MCU通常提供多种存储选项和外设选项。如果没有更多其他器件，那么无线IC(收发器、发射器和接收器)选择将是与MCU同等重要的复杂抉择。选择大多数工作在免费公用频段的Sub-GHz器件，还是基于ZigBee、Bluetooth Smart或Wi-Fi等标准的2.4GHz器件，是需要仔细考虑的问题。当为给定的IoT应用选择合适的无线协议时，没有“一刀切”的解决方案。每一种无线选项都有其自身的优缺点，具体的应用需求(例如网关或电池供电的终端节点)将决定互联技术的选择。



图2 - 传感器节点架构

在那些要求能效高、电池寿命长(要求电池使用寿命达5-15年)，并且传输距离远的应用中，Sub-GHz私有协议和开放式ZigBee标准是最常用的无线协议。Bluetooth适用于无需额外无线基础设施的智能手机和平板，提供短距离、点对点连接。Wi-Fi是重视带宽型应用(例如视频流和无线热点连接)最常采用的无线协议。Sub-GHz频带非常适合长距离、低功耗、低速率的应用(例如烟感、门窗传感器)和室外系统(例如天气台、智能电表和资产跟踪器)。

Sub-GHz无线互联

Sub-GHz技术是需要长距离和低功耗的无线应用的理想选择。窄带传输能够将数据传输到远处的集中器，通常可以到几英里远，而中间不需要接力传输。这种长距离传输能力减少了对于多个昂贵基站或中继器的需求。专利型Sub-GHz协议允许开发者根据自己的特定需求优化无线解决方案，不需要遵守可能给网络实现带来限制的标准。虽然许多现有的Sub-GHz网络采用专利协议，但是业内正在逐步向基于标准的、互操作的系统迁移。例如，IEEE802.15.4g标准正在向全球普及，获得了多个工业协会(例如Wi-SUN和ZigBee)的采用。在任何标准中，通常都有强制和可选的规格，提前确定适当的参数有助于设备的选择。下面我们将就Sub-GHz无线网络中的能源效率和无线传输距离，展开详细论述。

低功耗

为功耗敏感和电池供电型应用设计无线解决方案的开发人员必须关注无线IC的待机电流、低功耗模式和唤醒时间。例如，Silicon Labs的EZRadio和EZRadioPRO Sub-GHz收发器就是这些应用的理想选择，因为这些节能型无线设备待机模式下仅消耗40nA电流，且保持内存数据不丢失，并且从待机/休眠模式切换到接收模式仅需要440μs。此外，自治特性(例如占空比循环模式)进一步降低了平均接收电流消耗，在间歇性工作的系统中尤为如此。在这种情况下，基于片内集成的可编程的32KHz休眠时钟，无线电自动从休眠中唤醒并进入接收模式。无线电会根据前导码检测和接收信号强度指示来评估信道数据的有效性，仅仅在接收到有效数据包才去唤醒主机MCU。如果没有有效数据包，无线电自动返回到休眠模式，不会中断和激活主机MCU。



图3 - 接收器自治占空比循环

在采用占空比循环模式的应用中，三个主要因素决定了电流消耗：睡眠模式转变到接收模式所消耗的能量、评估信道数据包有效性所需的时间、以及休眠模式电流。EZRadio和EZRadioPRO收发器的前导码感应模式极大的减少了信道访问时间，并且不会降低灵敏度，同时显著降低了平均接收电流。这些无线电收发器仅需要8位前导码就能判断前导符的有效性，而其他传统Sub-GHz收发器则需要32位。平均接收电流的改善更有利于拥有较长前导符长度和较低数据速率的情形。在这些Sub-GHz收发器中，功率放大器(PA)消耗最大的电流，因此高效的PA设计也是获得长电池寿命的关键。EZRadio和的EZRadioPRO芯片集成了高效的+20dBm PA，能耗仅为85mA，比其他解决方案相比低40mA。在+10dBm输出功率时，PA消耗仅为18mA，因此可用纽扣电池进行供电。

无线传输距离

在任何应用中，采用Sub-GHz无线技术的主要优点是在该频段的长距离传输能力，即使在信号拥挤环境下也不受影响。长距离传输系统减少了部署成本，服务相同数量设备时所需要的基站和中继器更少。在给定的输出功率下，低频率传输能够传输更远的距离。根据物理学原理，可以使用Friis公式进行线路损耗分析来解释这种现象。
公式1，


，其中Pr是接收功率，Pt是发射功率，Gt和Gr是发射器和接收器的天线增益，R是天线之间的距离，λ是波长。

就通常经验来说，在室外空旷环境下链路预算增加6dB将带来双倍的传输距离。所有其他条件相同的情况下，169MHz频段的可达距离将优于868/915MHz频段。因为距离测试对测试环境和设备参数非常敏感，因此很难在不同厂家提供的RF收发器解决方案中进行精确的同类比较。比较时要充分考虑无线电参数(如频率、输出功率、带宽、包结构、天线、位/包错误率计算方法等)。在室外空旷环境测试中，EZRadioPRO设备采用标准的高斯移频键控(GFSK)调制方式，高频段和低频段传输距离都可达到8-10英里(13-16千米)。

表1显示了EZRadioPRO收发器在不同速率下的链路预算情况。



系统传输距离是接收器灵敏度和传输频率的函数。灵敏度与信道带宽成反比，这意味着窄带会有更高的接收灵敏度。信道带宽取决于三个因素：数据速率、频率偏置和晶体振荡器精度。为使应用进行有效的发送和接收，信道带宽必须设置到足够满足这三个因素。EZRadioPRO器件具有完全可编程的接收带宽，从200Hz到850KHz，从而能够在100bps速率下保持-133dBm的灵敏度，这是长距离室外传感器应用的理想选择。在一些应用中，采用扩频机制代替标准的窄带GFSK调制。较低的数据率需要较宽的频带，这样传输效率低，但是传输功率也低。增加带宽带来的灵敏度损失可通过编码进行补偿，每一个数据位可能被编码成多个位，在更宽的频带中传输。这意味着，在相同的净数据速率下，相对于传统窄带GFSK实现来说并没有直接的灵敏度改善。
从扩频信号中解码数据通常需要更长的前导码来同步，这增加了包的传输时间，进而降低了电池使用寿命。基于60-70dB之间的不同频带范围，窄带系统提供十分出色的临道抑制能力。展频信号不易受到干扰。不过，在近距离时，会对其他的窄带信号或扩频设备有干扰，将显著减少编码系统的传输距离。扩频系统的优势之一是可以使用更低成本的晶体替代高成本的温补晶体振荡器(TCXO)。基于GFSK的窄带系统通常需要使用TCXO以确保频率精度和延伸传输距离。虽然标准晶体和TCXO之间的成本差异日趋缩小，但是先进的收发器(例如EZRadioPRO)也提供自动频率补偿(AFC)机制，因而可以进一步减少频率偏移所造成的影响。



图4 - 窄带和扩频信号

结论

低功耗和长距离是确定Sub-GHz无线系统设计方向的关键因素。快速信号侦测、几十纳安的超低功耗待机电流、快速状态转换时间是构建稳健软件解决方案的关键，能够有效提升可连接设备应用的系统级能效。IoT市场正在快速演进，各类高集成度、超低功耗的半导体器件以低价格不断涌现。具有灵活架构的超低功耗MCU和无线IC支持多种协议，将成为实现智能、互联和低功耗型IoT世界的先导。

Vivek Mohan

Silicon Labs公司无线产品资深产品经理

Vivek Mohan是Silicon Labs微控制器和无线产品事业群无线互联产品(包括Sub-GHz无线电)的资深产品经理。他于2010年加入Silicon Labs，担任短距离无线产品应用工程经理。在加入Silicon Labs之前，他在Marvell Semiconductor公司担任无线SoC产品的应用工程和设计验证师。Mohan先生拥有南加州大学(University of Southern California)电气工程硕士学位。