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无线技术
Sub-GHz无线系统的重要原因
录入时间:2011-3-2 12:30:55

为建立一个先进的无线系统,大多数开发者最后都是在两种工业、科学和医疗(ISM)无线电频带间选择 - 2.4GHz或者sub-GHz频率。选取其中的一种,再结合系统的突出特点,将带来最佳的无线系统性能和经济性。这些特点涉及如下方面:

  1. 范围
  2. 功耗
  3. 数据速率
  4. 天线尺寸
  5. 互操作性(标准)
  6. 部署环境

Wi-Fi、Bluetooth和 ZigBee技术大力推广当今市场中广泛使用的2.4GHz协议。但对于低数据速率应用,如家庭安全/自动化和智能计量,sub-GHz无线系统则具有诸多优势,其中包括范围更大、功耗更低以及部署和运营成本优势。

 

Sub-GHz无线电传输

Sub-GHz无线电传输可提供相对简单的无线解决方案,可仅靠电池进行长达20年之久的非中断操作。与2.4GHz无线电传输相比,其明显优势包括:

 

范围 Sub-Ghz无线电传输窄带操作可使传输范围达一公里甚或更远。这就可使sub-GHz节点能直接与远处的中心进行通讯,而不需像使用范围小很多的2.4GHz方案常需要的那样,在一个个节点间跳来跳去。Sub-GHz比2.4GHz有出色范围表现的原因主要有三:

  1. 随着无线电波穿越墙体和其他障碍物,信号是逐渐减弱的。频率越高衰减率增加,因此2.4GHz信号比sub-GHz信号衰减的快。
  2. 当在大密度表面反射时2.4GHz无线电波也比sub-GHz电波衰减的更快。在高度拥挤的环境下,2.4GHz传输信号的衰减更快,会对信号质量产生不利影响。
  3. 即使无线电波是在一条直线上传输,当遇到坚固的边缘时(象建筑物的拐角)它们也会拐弯。由于频率减小衍射角加大,就使sub-GHz信号在遇到障碍物时拐弯程度更大,因此减轻了阻碍效果。

 

Friis方程式对sub-GHz无线电优良的传播特性进行了证明,揭示出2.4GHz的路径损耗比900MHz的要高8.5dB。

这等于900MHz无线电的范围要长2.67倍,这是因为功率每增加6dB范围大约会增加一倍。为匹配900MHz无线电的范围,2.4GHz方案就需要增加超过8.5dB的额外功率。 

低干扰 来自不同出处的2.4GHz信号会相互碰撞,如家庭和办公场所Wi-Fi集线器、开启蓝牙功能的计算机和手机外设以及微波炉,使得航路非常拥挤。2.4GHz信号这种交通拥堵会造成大量干扰。Sub-GHz ISM频带通常用于私有低负载循环链路,并且不大可能相互干扰。更平静的频谱意味着传输更轻松并且较少重试,具有更高的效率且节省电池能量。

低功率 功效和系统范围都是接收器敏感度和传输频率的功能。敏感度是与通道带宽成反比的,因此较窄的带宽会产生更高的接收器敏感度,可在较低的传输率下实现高效操作。

例如300MHz,如果发送器和接收器晶体错误(XTAL误差)都是10 ppm(每百万部件数),那么错误率都是3kHz。为了有效传送和接收,应用的最小通道带宽应是错误率的两倍,也即6kHz,这对于窄带应用是非常理想的。同样的情境在2.4GHz情况下则需要通道带宽至少达48kHz,这对于窄带应用来说就浪费带宽了,并会从根本上需要更多的操作功率 

总的来说,所有运行在较高频率上的无线电电路,包括低噪放大器、功率放大器、混合与合成器,都需要更多电流来达到和较低频率同样的表现。

 

范围、低干扰和低功耗是sub-GHz应用比2.4GHz应用具有优势的基本方面。经常提到的一项劣势是天线比2.4GHz网络中使用的要大。例如433MHz应用的最佳天线尺寸长达七英寸。然而天线尺寸和频率是成反比的。如果节点大小是一个非常重要的设计因素,为了让天线更小,开发人员可提高频率(可提高到950MHz)。

尺寸(1/4波长)

433MHz ~ 17.3cm (6.8”)

915MHz ~ 8.2cm   (3.2”)

2.4GHz ~ 3cm    (1.2”) 

1:天线尺寸随无线电频率降低而成比例增加

 

2.4GHzsub-GHz应用趋势

2.4GHz和sub-GHz技术都在消费、工业和汽车市场当中不断发展。2008年 2.4GHz TAM是1.72亿个单位,而sub-GHz TAM差不多为这个数字的三倍,是4.92亿个单位。

下图所示为sub-GHz和2.4GHz应用在特定应用领域的支配地位。远程无匙进入(RKE)是一项常见的sub-GHz应用,在这种情况下,相对长距离(100+米)下低数据速率传输和非常长久的电池寿命是需要高度优先考虑的问题。对于远程车库门开启(GDO)和轮胎气压监控系统(TPMS)来说情况也是一样的。


图2:无线频率广泛流行于消费、工业和汽车应用

 

在有些市场中,如玩具、医疗设备、安保系统和建筑自动化领域,这两种无线方案会用在相同的系统中。例如在建筑安保方面,高数据速率视频摄像需要2.4GHz无线电传输,同时趋近、压力和加速传感器则利用sub-GHz协议连接在一起。

对于无线应用来说,范围、功耗、天线尺寸和数据速率并不是唯一的设计考虑因素。部署环境和软件堆栈的规模以及成本也是必须要考虑的。 

部署环境

对许多无线应用来说全球合规是一个重要的设计考虑因素。例如在世界范围销售其产品的视频游戏制造商,控制台可使用2.4GHz无线电传输,因为这是全球ISM分配的。同样地,使用433MHz频带的无线应用也共享全球sub-GHz ISM分配,但日本是唯一的一个例外的主要市场。另外,915MHz广泛用于北美和澳大利亚,在欧洲部署的是868MHz,在北美、亚洲和日本也可用315MHz。

标准方案和专属方案

许多无线PHY、MAC和堆栈层标准方案对于2.4GHz和sub-GHz应用来说都是可行的。802.15.4(PHY/MAC)、ZigBee、Bluetooth、6LoWPAN、Wi-Fi 和 RF4CE都广泛使用2.4GHz方案。基于sub-GHz标准的方案则包括ZigBee(目前唯一在868MHz和900MHz频带既提供2.4GHz又提供sub-GHz版本的协议)、EnOcean、io-homecontrol®、ONE-NET、INSTEON® 和 Z-Wave。

尽管标准方案具有与厂商无关的互操作节点这一优势,但它们通常会增加每个节点的成本和占地。例如一个2.4GHz ZigBee无线电节点大约会需要2美元,软件堆栈会需要大约128KB的嵌入内存。相反,专属sub-GHz节点通常瞄准的是低成本系统,每个节点大约会节省耗资30-40%,堆栈需要的内存为4KB(在这个案例中,采用的是Silicon Labs  EZMacPRO®)。

具有特定功能和软件堆栈小,专属方案可实现较小的晶片尺寸和内存占地。更重要的是,堆栈复杂度较小简化了部署降低了维护成本。因此,专属sub-GHz方案可提供最便宜的点对点本地化网络,如车库门开启或家庭自动化系统。

更昂贵的长距离sub-GHz网状网络、无论是基于专属还是标准方案,随着智能网格技术的出现,其发展机会也是突飞猛进。

智能网格技术sub-GHz应用

智能网格技术是21世纪电子学,提升了20世纪电网基础设施的功能,使家庭和企业与公共设施间能够进行双向通讯。Sub-GHz通讯在许多智能网格应用中具有明显优势。例如其更长的范围可使更多家庭和企业进行通讯,集线器也更少,为公共服务提供商节省了部署和维护成本。另外,靠电池供电的煤气和水表可无需充电运行数年。世界各地在进行着智能能源应用的重大标准化工作(802.15.4G 、无线MBUS等),而sub-GHz则是从计量表到公共设施长距离通讯链路占绝对统治地位的频带。

自动计量系统 – 自动电子计量表为公共服务提供商带来了可靠性和准确性的改良、易于调校、安全性改进和先进的记账特性。整个系统可利用长距离、低成本无线通讯进行智能网格需要的有效的数据交换。


图3:智能网格应用自动计量系统

在上面的例子中,自动计量系统支持四种智能表:

·         通过测量所消耗的千瓦时和负载的功率因数,以及记录电量使用的时间,电表支持多速率计量。 

·         煤气和水表使用容积式流量计测量液体或气体单位体积通过流量计的次数。由于这些流量计通常采用电池供电,因此低操作功率至关重要。 

·         热计量表使公共设施能够利用所使用的BTU或千瓦数对客户记账,这是通过测量经过系统的热水流并记录流入和流出温度而计算得来。这些计量表主要是工业客户使用。

上述每一种计量表都装备有sub-GHz无线电系统,可快速便宜地将数据传送到计量聚合器(或计量中心),扮演着公共设施公司大门的角色。聚合器依次可从公共设施提供商那里向个体计量表通讯,依然是通过相同的sub=GHz网络。这就可更有效地使用水和能源,并为客户提供了更准确的记账服务。

结语

Sub-GHz无线网络可在低数据速率系统中提供极具成本效益的解决方案,从简单的点到点连接到更大型的网状网络,在这些情况下,长距离、强健的无线电链路和长电池寿命是首先要考虑的问题。高要求输出功率、衰减降低、频率污染较少和窄带操作提升了传输距离。更佳的电路效率、改进的信号传播和较小的内存占地使整体功耗减少,这使靠电池供电的操作可维持数年。

Silicon Labs公司的EZRadio 和 EZRadioPRO低功率、低数据速率、低成本IC产品家族支持sub-GHz点到点、星和网状网络以及复杂的、基于标准的网状网络应用。将这些无线电通讯与Silicon Labs混合信号MCU和音频、功率和计时IC结合将为消费者和工业监控提供更有效更经济的无线网络应用核心技术。


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