面向物联网的远距离、节能型Sub-GHz无线互联

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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)一词已家喻户晓。IoT涵 盖了远距离户外网络(如智能电网和市政照明)和短距离室内网络(如家居互联和住宅安全系统)。许多公司已经为IoT市场推出了众多的创新型解决方案,并能 提供安全状态检测等便利化的服务。物联网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,将以智能家居系统为例,重点讨论目前广泛使用的Sub-GHz频段低功耗、远距离无线互联

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图1:智能家居互联系统架构

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。如果没有更多其它器件,那么无线IC(收发器、发射 器和接收器)的选择将与MCU同等重要而复杂。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(如网关或电池供电的终端节点)将决定互联技术的选择。

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图2:传感器节点架构

在 那些要求能效高、电池寿命长(如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电脑,可提供短距离、点对点连接。Wi-Fi是重视带宽型应用(如视频流和无线热 点连接)最常采用的无线协议。Sub-GHz频段非常适合长距离、低功耗、低速率的应用(如烟感、门窗传感器)和室外系统(如气象台、智能电表和资产跟踪 器)。

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特定的需求优化无线解 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(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。

低功耗性能

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,Sub-GHz频段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在待机模式下仅消耗40nA电流,且保持内存数据不丢失,而从待机/休 眠模式切换到接收模式仅需要440?s。此外,自治特性(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。

在 采用占空比循环模式中,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。Sub- GHz频段收发器的前导码感应模式极大地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。Sub-GHz频段芯片集成了高效的+20dBmPA,能 耗仅为85mA,比其它解决方案相比低40mA,且在+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该频段的长距离传输能力,即使在信 号拥挤的环境下也不受影响。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1,3

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。所有其它条件相同的情况下,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,Sub-GHz频段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)。

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。为达到有效的 发送和接收,信道带宽必须足够满足这三个因素。Sub-GHz频段器件具有完全可编程的接收带宽,从200Hz到850KHz,因而能够在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。在一些场合中,还可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,扩频信号不 易受到干扰。不过,在近距离时,会对其它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,但是先进的收发器也能提供自动频率补偿(AFC)机制,因而可以进一步减少频率偏移所造成的影响。

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图3:窄带和扩频信号产生的功率

结论

低 功耗和长距离是确定Sub-GHz无线系统设计方向的重要因素。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,能够有效地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。

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