如何最大限度地增加无线网络的覆盖范围并延长电池寿命

具有成本效益的无线技术的扩散，导致整个新类型的网络呈上升趋势，这些网络应用广泛，包括安防、住宅和楼宇自动化、智能电表和个人医疗设备。这些网络包含简单的节点,收集和传输的数据量到中央控制器。无线系统制造商的目标是提供稳固的节点的同时最大限度地增加无线网络的覆盖范围并延长电池寿命。

鉴于一些2.4 GHz无线标准例如蓝牙和Wi-Fi的高利润，很多厂商认为，他们必须使用标准的协议，而2.4 GHz无疑是普遍的选择。确实，这是一个以市场为导向的选择。例如，无线网络提供了通用的高数据速率的连接，而蓝牙提供了大批量消费市场，如手机和PC配件设备。

然而，对于许多应用来说，相对低的数据速率要求和一个局域无线网络即可满足需求。对于这些应用，一个专用协议可以通过简化的实施显著降低系统成本，从而减少所需的处理器资源，以及避免与兼容性测试和LOGO标识牌的相关成本。例如，一个ZigBee无线电节点的成本在$2(美元)的数量级上，并要求该系统支持一个128 KB的协议栈。使用专用协议的Sub-GHz无线节点可以花费不到1.2美元，而且只需要一个8KB的协议栈。由于市场对于互操作性的要求低，鉴于成本的原因，许多应用开始采有专用协议。

而某些市场可能无法使用标准无线协议，他们已经合并围绕一个特定的频率，如图1。例如，无线游戏控制器使用的2.4GHz而汽车远程无钥匙进入（RKE）系统使用的子GHz的频率。而汽车遥控钥匙（RKE）系统使用的sub-GHz频率。一些市场使用多种无线技术。自动化电表，例如，使用Sub-GHz作为长距离无线回传网络和2.4 GHz的水表到户通信。家庭安防系统sub-GHz用于低数据速率传感器和2.4 GHz用于高数据速率视频摄像机。有些市场仍犹豫不决，当涉及到无线协议。例如，现有的家庭自动化系统使用的sub-GHz频率，而新兴的2.4 GHz/ ZigBee设备正在进入市场。

    无线开发者必须确定是否Sub-GHz或2.4 GHz收发器将最好地满足其应用需求。基于2.4 GHz的收发器提供高的数据速率（大于1 Mbps）和一个小天线（比900MHz天线小1/3的尺寸），这使得用于与短距离的消费电子设备般配。然而，2.4 GHz射频范围小，环境损失比900MHz要大大约9 dB。高数据率要求接收机更宽的信道带宽，这进一步限制了灵敏度范围。一个2.4 GHz无线电也有更高的功耗，由于减少了电路的效率。此外，在2.4GHz频谱拥挤，受到来自Wi-Fi设备，蓝牙节点和微波炉显著干扰。

图3 速率越低接，收灵敏度越高

选择最优数据速率可以涉及到一个复杂的平衡的选择，该数据速率越高，时间少的系统需要发射时消耗功率（即无线电在200 Kbps的操作会比较无线电在100 Kbps的工作需要少一半的时间。）更快的数据传输速率也将使更多的节点在一起工作而没有不利的争用。然而，更高的数据速率降低灵敏度，导致需要更高的输出功率，以达到足够的范围内。理想情况下，开发者要选择低数据速率仍然提供足够的系统响应速度，同时最大限度地减少传输时间。

Sub-GHz收发器，如世强代理的Silicon Labs的EZRadioPRO收发器，支持一个可编程的数据速率。在最新的EZRadioPRO集成电路的情况下，开发人员可以选择高达500 Kbps的数据速率在2GFSK调制模式下，和高达1 Mbps使用4GFSK调制模式时。因为可编程的收发器可以被配置为在一系列的数据传输速率的操作，这使得开发人员能够微调的数据速率，以便以最少的时间量的无线发送，同时考虑范围和灵敏度考虑。

对于许多需要低数据速率应用时，“甜蜜点”是40 Kbps，其中收发器仍然可以使用一个标准的现成的20ppm晶体。实现更窄的信道范围需要一个低的PPM晶体或温度控制的晶体振荡器（TCXO）但是成本超过20 ppm的晶体多得多。

开发者也有通过使用跳频改善sub-GHz系统的稳定性。Silicon Labs公司，例如，提供多种参考设计使用和不使用跳频，使开发人员能够最大限度范围内的可用输出功率。这些参考设计还考虑到监管限制，限制的输出功率。

也请注意，该收发器的电流消耗可以极大地影响系统的整体功耗。每个收发器提供了多种运行模式和关机模式。发送/接收的节点的使用频率将决定哪一种模式的影响最大。例如，如果一个节点被频繁发射，发射功率将是非常重要的。同样地，如果一个节点仅发送一天一次，关机效率将是最有影响力的因素。

不同的待机模式的可用性还可以帮助开发优化基于特定发射/接收的应用要求的电池寿命。对于其中的警报必须尽可能快地处理的应用中响应时间是至关重要的，例如医疗或工业应用中，发送/接收需要一个备用模式快速唤醒。 Silicon Labs的Si446x的EZRadioPRO无线收发器，例如，支持仅50 nA的待机功耗，并设有最低发送电流的输出功率。参见图4详细介绍一下超低功耗Si446x收发器。

相比之下，Sub-GHz无线射频提供范围比2.4GHz更大，千米的数量级。Sub-GHz无线也具备更低功耗，在单电池供电都可以使用多年。这些因素，再加上较低的系统成本，使的sub-GHz收发器，适用于需要最大范围和多年的工作寿命低数据速率应用。

  Sub-GHz无线设计的缺点之一是天线要比2.4GHz的设计中使用的要大。例如， 433MHz应用的天线尺寸，最多可以有七英寸长。天线的尺寸和频率成反比，如图2，如果节点尺寸大小是一个重要的设计考虑因素，开发者可以提高频率（例如，高达950MHz），并采用一个较小的天线。

另一个需要考虑的因素就是产品将被出售和部署。 2.4GHz频带具有使一台设备向所有主要市场服务于全世界自2.4GHz频带是一个全球性的频谱的优点。然而在现实中，这种优势往往是夸大了。每个国家都有不同的规定，可以迫使制造商认证的产品为特定的国家和地区提供的SKU。开发者需要在前期的设计过程中理解这些规定，以避免昂贵的晚周期的重新设计。

对于许多应用，433MHz是2.4 GHz可行的一个替代方案在世界上大多数国家，并设计了基于868MHz和915 MHz的单独产品服务于美国和欧洲市场。表1示出了在Sub-GHz和2.4GHz之间选择的关键因素。在一般情况下，高数据速率的应用将需要一个2.4 GHz无线射频。对于长距离，低功耗应用，Sub-GHz收发器通常提供了最佳途径。

表 1. Sub-GHz and 2.4 GHz 解决方案的关键优点对比

操作范围

电池寿命是在许多无线网络应用的一个关键的设计约束，因为许多无线节点通常是电池供电的，并需要操作数月或数年无需维护。优化电池寿命，但是，需要开发者超越收发机的效率。工作寿命为一个传感器节点还取决于该节点的通讯范围，无线收发器的接收灵敏度，数据速率和网络中的节点的数目。

对于很多的sub-GHz应用，通讯范围无疑是最重要的设计约束，使之成为一个简单的决定。增加发射功率，扩展的范围和覆盖面，但消耗更多的电能。更大的范围可导致较低的系统成本，因为每个节点的通讯范围大，这样区域的完全覆盖需要更少的节点。

例如，在照明的自动化系统中，节点必须能够与来自任何房间中的房屋或建筑物的中央控制器进行通信。用通讯距离范围优先的节点会出现部署问题，这可能会增加安装困难，增加昂贵的客户服务支持电话，产品的返回和收入损失。

以获得足够的室内覆盖，节点必须能够发送超过10 dBm的功率。对于诸如仓库和校园较大的位置，为10dBm将不足以达到整个目标范围。其结果是，更多的节点将被要求达到完全覆盖。此外，多个控制器可能需要在整个范围内，显著增加系统的复杂性和在安装过程中需要昂贵的手动配置。

sub-GHz收发器，如世强代理的Silicon Labs的EZRadioPRO 系列芯片提供更大的输出功率，支持传输功率高达+20 dBm。而且输出功率可以从20dBm调节变小到合适的最佳范围，增加的最大输出功率可在每个节点都可以确保有足够的余量，以提供所要求的通讯范围。毕竟，如果一个节点不能达到的中央控制器，并不关心它是如何节能的。此外，更大的范围潜在地降低达到完全覆盖在网状网络所需的节点的数目。需要又更少的节点最大限度地降低系统成本，同时提高系统的可靠性和效率，减少争用节点之间共享带宽。

即使范围不是一个问题，许多无线系统制造商将考虑工作在更高的输出功率过驱动天线。以这种方式，一个应用程序的范围的要求能满足用较便宜的，低效率的天线，从而降低了系统成本。具有高输出功率，作为一个选项使制造商能够灵活地决定，这自己权衡。

灵敏度和更长的电池寿命

通讯范围范围是由收发器的灵敏度和其输出功率确定的，通常被称为链路预算。影响无线灵敏度的主要因素是数据速率。数据速率越低，越窄的接收带宽是与无线设备的更大的敏感性。图3示出了高接收灵敏度在较低的数据传输速率的关系。注意，作为sub-GHz无线都能够支持比2.4GHz的无线电窄的信道带宽，可以更准确，更有效地反射低数据速率应用的传输需求。

图3 速率越低接，收灵敏度越高

选择最优数据速率可以涉及到一个复杂的平衡的选择，该数据速率越高，时间少的系统需要发射时消耗功率（即无线电在200 Kbps的操作会比较无线电在100 Kbps的工作需要少一半的时间。）更快的数据传输速率也将使更多的节点在一起工作而没有不利的争用。然而，更高的数据速率降低灵敏度，导致需要更高的输出功率，以达到足够的范围内。理想情况下，开发者要选择低数据速率仍然提供足够的系统响应速度，同时最大限度地减少传输时间。

Sub-GHz收发器，如世强代理的Silicon Labs的EZRadioPRO收发器，支持一个可编程的数据速率。在最新的EZRadioPRO集成电路的情况下，开发人员可以选择高达500 Kbps的数据速率在2GFSK调制模式下，和高达1 Mbps使用4GFSK调制模式时。因为可编程的收发器可以被配置为在一系列的数据传输速率的操作，这使得开发人员能够微调的数据速率，以便以最少的时间量的无线发送，同时考虑范围和灵敏度考虑。

对于许多需要低数据速率应用时，“甜蜜点”是40 Kbps，其中收发器仍然可以使用一个标准的现成的20ppm晶体。实现更窄的信道范围需要一个低的PPM晶体或温度控制的晶体振荡器（TCXO）但是成本超过20 ppm的晶体多得多。

开发者也有通过使用跳频改善sub-GHz系统的稳定性。Silicon Labs公司，例如，提供多种参考设计使用和不使用跳频，使开发人员能够最大限度范围内的可用输出功率。这些参考设计还考虑到监管限制，限制的输出功率。

也请注意，该收发器的电流消耗可以极大地影响系统的整体功耗。每个收发器提供了多种运行模式和关机模式。发送/接收的节点的使用频率将决定哪一种模式的影响最大。例如，如果一个节点被频繁发射，发射功率将是非常重要的。同样地，如果一个节点仅发送一天一次，关机效率将是最有影响力的因素。

不同的待机模式的可用性还可以帮助开发优化基于特定发射/接收的应用要求的电池寿命。对于其中的警报必须尽可能快地处理的应用中响应时间是至关重要的，例如医疗或工业应用中，发送/接收需要一个备用模式快速唤醒。 Silicon Labs的Si446x的EZRadioPRO无线收发器，例如，支持仅50 nA的待机功耗，并设有最低发送电流的输出功率。参见图4详细介绍一下超低功耗Si446x收发器。

图4 EZRadioPRO无线收发器架构图

网络拓扑结构和节点智能

电池寿命也会受网络中节点的总数的影响。如果有数百个节点彼此与控制器进行通信的竞争，将有一个显著的碰撞和重试根据通信中的频率。即使有足够的带宽来承载所有这些节点必须发送的数据时，浪费在重试消耗的功率可以超过发送数据本身所需的功率。

评估竞争问题是在设计一个强大的传感器节点网络的重要一步。例如，如果每一个节点仅需要每日两次发送几个字节，数百个节点的传输可以错开，导致几乎没有争用。然而，如果每个节点需要不断更新一个长的数据流，如果数据率太低，甚至几个节点将产生大量争用。

争用可缓解在许多方面。降低传输频率，可能通过缓冲数据更长的时间，能消除争用，因为每个节点将试图传送较不频繁。可替代地，可以通过各种压缩技术减小数据包大小（例如：发送4bit delta基于发送的最后一个值而不是一个绝对的8位值）或通过微控制器（MCU）让节点具备更多的智能。例如，当捕获的传感器的值是在可接受的范围内，只发送一个简单的状态标记。当其他的办法不是很有效时，争用也可通过增加数据速率来降低。

网络拓扑也影响电池的使用寿命。其中每个节点直接与中央控制器通讯，可以考虑一个星型网络。这是一个有效的，功能强大的无线网络拓扑结构，当每个节点内都在主机通讯范围内。这种类型的网络的缺点是，当它变得更大，则控制器可以成为一个瓶颈。此外，数据速率需要足够高，以容纳每一个节点以及帐户争用的数据传输。在某些时候，争用可以压倒网络。根据网络，这个数字可能会低至16至32个节点。

网状网络，其中节点互连彼此和数据能够通过几个节点到达中央控制器，提供最大的灵活性，并可以支持一个更大的网络在一个更大的物理区域。任何网状网络节点的重要属性包括自动识别添加到网络的节点和节点退出服务后的网络自愈能力。

在一般情况下，收发器是软件和协议由MCU驱动，以支持大多数现有的软件栈。其广泛的选择范围，控制软件应基于范围，网络的规模，并需要被支持的应用程序的功能进行选择。Silicon Labs供应商提供的代码就足够了，无论拓扑结构小型，简单的网络。例如，Silicon Labs还提供互补的，免版税的EZMac的控制软件，以支持基本的传感器网络多达128个节点。对于较大的网络的数百到数千个节点，可以从第三方提供强大的软件范围广泛的高级功能。

对于简单的基于传感器的网络，无线的MCU诸如Silicon Labs的Si10xx器件，它集成了Sub-GHz收发器和MCU内核（见图5），使开发人员能够用一个单一的SoC实现整个系统，从而延长了电池寿命，降低系统成本和相比多芯片实现一个更加紧凑的外形。对于新的设计，无线MCU使开发人员能够同时使用同一套工具优化射频性能和控制代码，简化设计并加速上市时间。为了简化制造，网状网络协议代码可以直接嵌入到无线MCU的存储器。当添加无线功能到现有的设计中，它可能是一个更具经济效益的无线收发设备。而不必重新一直或重新设计应用程序代码，开发人员可以实现的协议栈和接口到射频系统的CPU中，并且体积封装小。

图5. SoC的无线MCU集成了MCU内核和无线收发器

现在的开发者在开发低成本的无线网络有一个广泛的射频技术的选择。使用标准协议的2.4 GHz无线的可用性促进与开放网络应用的互操作性，而Sub-GHz无线提供具有成本效益的方式提供远距离和最佳电池寿命。高功率输出，接收机的灵敏度和可配置的数据传输率的组合为开发人员提供了灵活性，以优化其实施范围，成本，寿命，安装方便。此外，与各种网络拓扑和智能节点固件可用，网络从几个到数千个节点能够以简单的和鲁棒的方式来支持。