sub-GHz無(wú)線系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)與部署方案分析

為了構(gòu)建先進(jìn)的無(wú)線系統(tǒng)，大多數(shù)開(kāi)發(fā)人員最終將選擇兩種工業(yè)，科學(xué)和醫(yī)療（ISM）無(wú)線電頻段選項(xiàng)--2.4 GHz或sub-GHz頻率。將一個(gè)或另一個(gè)與系統(tǒng)的最高優(yōu)先級(jí)配對(duì)將提供無(wú)線性能和經(jīng)濟(jì)性的最佳組合。這些優(yōu)先級(jí)可包括：范圍，功耗，數(shù)據(jù)速率，天線大小，互操作性（標(biāo)準(zhǔn)）和全球部署。但是，對(duì)于低數(shù)據(jù)速率應(yīng)用，例如家庭安全/自動(dòng)化和智能計(jì)量，sub-GHz無(wú)線系統(tǒng)具有多種優(yōu)勢(shì)，包括更長(zhǎng)的范圍，更低的功耗以及更低的部署和運(yùn)營(yíng)成本。

Sub-GHz無(wú)線電

Sub-GHz無(wú)線電可提供相對(duì)簡(jiǎn)單的無(wú)線解決方案，可單獨(dú)使用電池供電長(zhǎng)達(dá)20年。與2.4 GHz無(wú)線電相比的顯著優(yōu)勢(shì)包括：

范圍 - sub-GHz無(wú)線電的窄帶操作可實(shí)現(xiàn)一公里或更長(zhǎng)的傳輸范圍。這允許sub-GHz節(jié)點(diǎn)直接與遠(yuǎn)端集線器通信，而無(wú)需在節(jié)點(diǎn)之間跳躍，這通常需要使用更短距離的2.4 GHz解決方案。在2.4 GHz以上的應(yīng)用中，sub-GHz優(yōu)越的性能有三個(gè)主要原因：

當(dāng)無(wú)線電波穿過(guò)墻壁和其他障礙物時(shí)，信號(hào)會(huì)減弱。衰減率在較高頻率下增加，因此2.4 GHz信號(hào)比sub-GHz信號(hào)衰減得更快。

2.4 GHz無(wú)線電波也比sub-GHz波更快地衰減，因?yàn)樗鼈冊(cè)诿芗砻嫔戏瓷洹Ｔ诟叨葥頂D的環(huán)境中，2.4 GHz的傳輸會(huì)迅速減弱，從而對(duì)信號(hào)質(zhì)量產(chǎn)生不利影響。

即使無(wú)線電波以直線傳播，它們也會(huì)在達(dá)到穩(wěn)固邊緣時(shí)彎曲（如同建筑）。隨著頻率的降低，衍射角度增加，允許sub-GHz信號(hào)在障礙物周圍進(jìn)一步彎曲，從而減少阻塞效應(yīng)。

Friis方程演示了sub-GHz無(wú)線電的優(yōu)越傳播特性，表明2.4 GHz時(shí)的路徑損耗比900 MHz時(shí)高8.5 dB。

對(duì)于900 MHz無(wú)線電，這相當(dāng)于2.67倍更長(zhǎng)的范圍，因?yàn)楣β试黾用吭黾? dB，范圍大約翻倍。為了匹配900 MHz無(wú)線電的范圍，2.4 GHz解決方案需要大于8.5 dB的額外功率。

低干擾 - 航空公司充斥著來(lái)自各種來(lái)源的沖突2.4 GHz信號(hào)，例如家庭和辦公室Wi- Fi集線器，支持藍(lán)牙的計(jì)算機(jī)，手機(jī)外圍設(shè)備和微波爐。這種2.4 GHz信號(hào)的交通堵塞造成了很多干擾。 Sub-GHz ISM頻段主要用于專有的低占空比鏈路，并且不太可能相互干擾。更安靜的頻譜意味著更輕松的傳輸和更少的重試，更高效，節(jié)省電池電量。

低功耗 - 功率效率和系統(tǒng)范圍都是接收器靈敏度加上傳輸頻率的函數(shù)。靈敏度與信道帶寬成反比，因此較窄的帶寬可以產(chǎn)生更高的接收靈敏度，并允許在較低的傳輸速率下進(jìn)行高效操作。

例如，在300 MHz時(shí)，如果發(fā)送器和接收器晶體誤差（XTAL不準(zhǔn)確）均為10 ppm（百萬(wàn)分之一），則每個(gè)誤差為3 kHz。對(duì)于高效發(fā)送和接收的應(yīng)用，最小信道帶寬是誤碼率的兩倍，即6 kHz，這是窄帶應(yīng)用的理想選擇。 2.4 GHz的相同場(chǎng)景要求最小48 kHz的信道帶寬，這會(huì)浪費(fèi)窄帶應(yīng)用的帶寬，并且需要更多的工作功率。

一般來(lái)說(shuō)，所有無(wú)線電電路都運(yùn)行在更高頻率，包括低噪聲放大器，功率放大器，混頻器和合成器需要更多電流才能達(dá)到與低頻相同的性能。

圖1：隨著無(wú)線電頻率的降低，天線尺寸也會(huì)按比例增加。

范圍，低干擾和低功耗是超過(guò)2.4 GHz應(yīng)用的sub-GHz應(yīng)用的基本優(yōu)勢(shì)。經(jīng)常提到的缺點(diǎn)之一是天線比2.4GHz網(wǎng)絡(luò)中使用的天線大。例如，433 MHz應(yīng)用的最佳天線尺寸可達(dá)7英寸。但是，天線尺寸和頻率成反比。如果節(jié)點(diǎn)尺寸是一個(gè)重要的設(shè)計(jì)考慮因素，開(kāi)發(fā)人員可以提高頻率（高達(dá)950 MHz），以便采用更小的天線。

2.4 GHz與sub-GHz應(yīng)用趨勢(shì)的關(guān)系

2.4 GHz和sub-GHz技術(shù)正在消費(fèi)，工業(yè)和汽車市場(chǎng)中不斷擴(kuò)展。 2008年2.4 GHz TAM為1.72億單位，而sub-GHz TAM幾乎是該數(shù)字的三倍，為4.92億。

圖2說(shuō)明了sub-GHz和2.4 GHz應(yīng)用在特定應(yīng)用中的主導(dǎo)地位。遠(yuǎn)程無(wú)鑰匙進(jìn)入（RKE）是一種常見(jiàn)的sub-GHz應(yīng)用，其中相當(dāng)長(zhǎng)距離（100+米）的低數(shù)據(jù)速率傳輸和非常長(zhǎng)的電池壽命是高優(yōu)先級(jí)。遠(yuǎn)程車庫(kù)門(mén)開(kāi)啟器（GDO）和輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)（TPMS）也是如此。

有幾個(gè)市場(chǎng)，例如玩具，醫(yī)療設(shè)備，安全系統(tǒng)和樓宇自動(dòng)化，其中兩個(gè)無(wú)線選項(xiàng)都在同一系統(tǒng)中使用。例如，在建筑安全性方面，需要2.4 GHz無(wú)線電來(lái)為高數(shù)據(jù)速率攝像機(jī)提供服務(wù)，而接近，壓力和加速度傳感器則使用sub-GHz協(xié)議進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)。

圖2：消費(fèi)類，工業(yè)和汽車應(yīng)用中的無(wú)線頻率趨勢(shì)。

范圍，功耗，天線尺寸和數(shù)據(jù)速率不是無(wú)線應(yīng)用的唯一設(shè)計(jì)考慮因素。還必須解決全球部署和軟件堆棧大小和成本問(wèn)題。

全球部署

全球合規(guī)性是許多無(wú)線應(yīng)用的重要設(shè)計(jì)考慮因素。例如，在全球銷售其產(chǎn)品的視頻游戲制造商可以將2.4 GHz無(wú)線電用于其所有控制臺(tái)，因?yàn)樗侨騃SM分配。同樣，使用433 MHz頻段的無(wú)線應(yīng)用共享全球sub-GHz ISM分配，日本是唯一的主要市場(chǎng)例外。

此外，915 MHz廣泛用于北美和澳大利亞，868 MHz部署在整個(gè)歐洲，315 MHz可在北美，亞洲和日本使用。

標(biāo)準(zhǔn)與專有解決方案

許多用于無(wú)線PHY，MAC和堆棧層的標(biāo)準(zhǔn)解決方案可用于2.4 GHz和sub-GHz應(yīng)用。 802.15.4（PHY/MAC），ZigBee，藍(lán)牙，6LoWPAN，Wi-Fi和RF4CE是廣泛使用的2.4 GHz解決方案?；赟ub-GHz標(biāo)準(zhǔn)的解決方案包括ZigBee（目前唯一提供868 MHz和900 MHz頻段的2.4 GHz和sub-GHz版本的協(xié)議），EnOcean，io-homecontrol?，ONE-NET，INSTEON?和Z-Wave雖然標(biāo)準(zhǔn)解決方案提供獨(dú)立于供應(yīng)商的可互操作節(jié)點(diǎn)的優(yōu)勢(shì)，但它們通常會(huì)增加每個(gè)節(jié)點(diǎn)的成本和占用空間。

通過(guò)專用功能和小型軟件堆棧，專有解決方案可以實(shí)現(xiàn)更小的芯片尺寸和更少的內(nèi)存占用。更重要的是，不太復(fù)雜的堆棧簡(jiǎn)化了部署并降低了維護(hù)成本。因此，專有的sub-GHz解決方案可以提供最便宜的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)本地化網(wǎng)絡(luò)，例如車庫(kù)門(mén)開(kāi)啟器或家庭自動(dòng)化系統(tǒng)。

隨著智能電網(wǎng)技術(shù)的出現(xiàn)，更廣泛的遠(yuǎn)程sub-GHz網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)（專有或基于標(biāo)準(zhǔn)）的機(jī)會(huì)正在飛速發(fā)展。

用于智能電網(wǎng)技術(shù)的Sub-GHz應(yīng)用》智能電網(wǎng)技術(shù)是21世紀(jì)的電子設(shè)備，可增強(qiáng)20世紀(jì)能源電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施的功能，實(shí)現(xiàn)家庭與企業(yè)及其公用事業(yè)公司之間的雙向通信。 Sub-GHz通信在許多智能電網(wǎng)應(yīng)用中具有明顯的優(yōu)勢(shì)。例如，其較長(zhǎng)的范圍允許更多家庭和企業(yè)與更少的集線器通信，這節(jié)省了公用事業(yè)提供商的部署和維護(hù)成本。此外，電池供電的燃?xì)獗砗退砜梢栽诓桓鼡Q電池的情況下運(yùn)行數(shù)年。世界各地的智能能源應(yīng)用正在進(jìn)行重大標(biāo)準(zhǔn)化工作（802.15.4 G，無(wú)線MBUS等），其中sub-GHz是從儀表到公用事業(yè)的長(zhǎng)距離通信鏈路的主要頻段。

自動(dòng)化計(jì)量系統(tǒng) - 自動(dòng)化電子儀表為公用事業(yè)提供商提供了更高的可靠性和準(zhǔn)確性，易于校準(zhǔn)，更高的安全性和先進(jìn)的計(jì)費(fèi)功能。

完整的系統(tǒng)可以利用遠(yuǎn)程，低成本的無(wú)線通信，實(shí)現(xiàn)智能電網(wǎng)所需的有效數(shù)據(jù)交換。

在圖3中，自動(dòng)計(jì)量系統(tǒng)支持四種智能儀表：

電表通過(guò)測(cè)量消耗的千瓦時(shí)和負(fù)載的功率因數(shù)，以及記錄使用電的時(shí)間來(lái)支持多速率計(jì)量。

燃?xì)獗砗退硎褂谜灰屏髁坑?jì)，測(cè)量單位體積的流體或氣體通過(guò)流量計(jì)的次數(shù)。低運(yùn)行功率至關(guān)重要，因?yàn)檫@些儀表通常由電池供電。

圖3：用于智能電網(wǎng)應(yīng)用的自動(dòng)計(jì)量系統(tǒng)。

熱量表使公用事業(yè)公司能夠根據(jù)所使用的BTU數(shù)或千瓦數(shù)向客戶收費(fèi)，這是通過(guò)測(cè)量通過(guò)系統(tǒng)的熱水流量并記錄其來(lái)計(jì)算的。輸入和退出溫度。這些儀表主要供工業(yè)客戶使用。

這些儀表中的每一個(gè)都配備了一個(gè)sub-GHz無(wú)線電，可以快速，低成本地將數(shù)據(jù)傳輸?shù)接?jì)量聚合器（或集線器），作為公用事業(yè)公司的網(wǎng)關(guān)。反過(guò)來(lái)，聚合器可以通過(guò)相同的sub-GHz網(wǎng)絡(luò)從公用設(shè)施提供商返回到各個(gè)儀表。這樣可以更有效地利用可用的水和能源，并為客戶提供更準(zhǔn)確的計(jì)費(fèi)服務(wù)。

結(jié)論

Sub-GHz無(wú)線網(wǎng)絡(luò)可以在任何低數(shù)據(jù)速率系統(tǒng)中提供極具成本效益的解決方案，與更大的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的簡(jiǎn)單點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接，其中長(zhǎng)距離，強(qiáng)大的無(wú)線電鏈路和延長(zhǎng)的電池壽命是主要優(yōu)先事項(xiàng)。更高的調(diào)節(jié)輸出功率，更低的吸收，更少的光譜污染和窄帶操作增加了傳輸范圍。更高的電路效率，更好的信號(hào)傳播和更小的存儲(chǔ)器占用空間降低了整體功耗，這可能導(dǎo)致多年的電池供電運(yùn)行。

Silicon Labs是混合信號(hào)RF集成的全球領(lǐng)導(dǎo)者。該公司的EZRadio和EZRadioPRO系列低功耗，低數(shù)據(jù)速率，低成本IC產(chǎn)品支持亞GHZ點(diǎn)對(duì)點(diǎn)，星形和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)以及復(fù)雜的，基于標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。將這些無(wú)線電與Silicon Labs的混合信號(hào)MCU以及音頻，電源和定時(shí)IC相結(jié)合，將為更高效，更經(jīng)濟(jì)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用提供核心技術(shù)，用于消費(fèi)和工業(yè)監(jiān)控。