近距无线设备协议设计的综合考虑

随着短距离无线数据传输技术的成熟，功能简单、携带方便的嵌入式无线产品得到广泛应用，对于（中国）设计工程师来说，怎样设计无线传输协议已经成为设计过程面临的一个挑战。本文从扩频技术、频谱管理、协议层设计、差错处理、链接范围等方面探讨了设计协议过程中需要综合考虑的问题。

　　短程无线设备（SRD）在较小的物理区域内通信，数据率和工作电流均低于大型产品，并且功能也相对简单，它被广泛应用于车门遥控开关系统、简单家用自动化设备和无线游戏控制器。

　　与SRD系统相比，高端系统可采用先进和复杂的协议栈实现。这些软件协议栈可从第三方供应商购买或嵌入硬件。而设计SRD时，嵌入式开发人员通常可设计小型定制协议并直接对硬件进行访问，SRD的协议栈通常比较简单，本文介绍适用于短程无线设备的协议设计策略。

　　一般来说，射频链路与有线连接在诸多重要环节上完全不同：1. 射频链路是通过相同的传输媒介空气来传播无线电信号；2. 误码率比常规有线系统高几个数量级。由于存在上述差异，RF链路的可靠性比有线链路低。为了建立可靠的无线通信链路，可以采用TDMA和FDMA技术。

　　时分多址（TDMA）技术可使不同的设备在不同的时刻"同时"占用同一段频谱，这通常可以通过为不同的发送器分配特定的时隙和编码加以实现。图1显示了可被两个设备在一段时间内共享的带宽。

　　基本时间分片的机制之一是载波侦听多址（CSMA）技术。CSMA不分配固定的时隙，而其基本原理同人与人之间的礼貌交谈并无二致：在试图插嘴之前，必须等待同伴停止说话。正常的CSMA设备可实现某种形式的发送前侦听（listen-before-transmit）功能，这样当另一设备正使用信道时，CSMA设备必须等待。当然，如果两个或更多发送器同时捕获了公共信道，将有可能产生冲突。

　　频分多址（FDMA）技术将可用的频率带宽拆分为具有较窄带宽的子信道，如图2所示。这样每个子信道均独立于其它子信道，从而可被分配给单个发送器。其缺陷是子信道之间必须间隔一定距离以防止干扰，频带利用率不高。

　　FDMA的最大问题在于较窄的信道限制了数据传送的速率。窄信道还需要更好的无线滤波，这进一步增加了系统成本。同样，信道间还可能存在潜在的噪声，因为较强的带外（out-of-band）噪声可能干扰我们希望接收的微弱信号。

　　
一、扩频技术

　　在跳频技术中，发送器从一个子信道"快步"跳跃至另一子信道。该技术最早被美国军方采用，后来的事实表明扩频技术也同样适用于民用系统。扩频技术具有两大优势：

　　1.扩频系统比其它传统系统更抗干扰；
　　2.扩频技术可用来提供多种接入功能。

　　目前主要的两种扩频技术是跳频（FHSS）和直接序列扩频（DSSS）技术。这两种技术均以自己的方式支持多种接入方式。对于FHSS，每个发送器均可使用不同的跳频序列，这样即可同其它的发送器共享相同的带宽（如图3所示）。FHSS的优点是频率顺序可以自适应，从而防止较强的干扰。

　　DSSS系统通过数据信号与扩频码的异或（XOR）运算获得信号能量扩展。系统可采用几种不同的扩频码支持多路接入，这就是码分多址（CDMA）技术。为使直接序列多路接入机制正常工作，所有发送器的功率电平均应保持一致，否则弱信号将被强信号阻塞。图4显示了这一机制。两路DSSS信号在相同的频带上发送，接收器通过信号处理即可利用已知的扩频码析取发送器传来的数据。

　　应用中采用何种无线技术取决于多种因素。当然，TDMA和FDMA比扩频更容易实现，因此如果可能，您将会很乐意采用其中一种方法。

　　如果设备不需要频繁传送信号，那么TDMA自然就是最佳选择，因为传送越少意味着冲突越少。此外，无线电管理当局可以通过限制允许传送的占空比来要求TDMA工作于特定波段。

　　另一方面，如果希望每个发送器都具有连续的通信信道，那么FDMA就是最佳选择。

　　当许多设备必须以特殊方式进行通信或当接口电平较高时，扩频技术就显得尤为有效。DSSS必须以硬件方式实现才最为有效，而FHSS则可用软件实现，具体取决于采用的跳频率。如果采用直接序列，那么对于软件开发人员则完全透明。需要注意的是，扩频技术依赖于可供充分利用的带宽，因此并不适用于所有无线频带。

　　添加发送前侦听功能并非难事或需要大量工作，而且可以避免干扰工作于相同频率范围内的其它RF系统。此外，当产品与其它RF设备协同工作时，用户还能避免大量干扰问题。

　
二、无线电频率管理

无线电管理机构可管理RF带宽的使用，最基本的规则是无线发送器的使用需要获得