傳輸速率和距離

　　傳輸速率是系統(tǒng)設計中一個關(guān)鍵的可變因素，它將決定整個系統(tǒng)整體性能的很多屬性。無線傳輸距離由接收機靈敏度和發(fā)射機輸出功率共同決定，兩者之間的差值我們稱之為鏈路預算。輸出功率受限于標準規(guī)范，所以只有通過提高靈敏度來增加距離，而靈敏度又受數(shù)據(jù)速率非常重要的影響。對所有的調(diào)制方式來說，越低的速率，接收機的帶寬越窄，接收靈敏度就越高。在現(xiàn)今高性價比無線收發(fā)機中應用最廣泛的調(diào)制方式是FSK或者GFSK。要進一步減小FSK系統(tǒng)的接收機帶寬，唯一可行的辦法就是提高參考晶體的精確度。雖未經(jīng)檢驗過但可以預見，這很容易就會產(chǎn)生比接收機帶寬更寬的頻率偏差。低成本的晶體一般只有20ppm的精度，這將限制使用載波頻率為868MHz或915MHz系統(tǒng)的最大數(shù)據(jù)傳輸速率在20kbps，靈敏度在-112dBm。使用溫補晶振可以獲得更高的靈敏度，但是溫補晶振的價錢將是普通晶體的三倍。

　　擴頻調(diào)制方式在其他領(lǐng)域應用了很多年，但直到至今仍未使用于低成本的傳感網(wǎng)絡方案。在等同的數(shù)據(jù)速率條件下，商用的低成本擴頻調(diào)制方式可以獲得比傳統(tǒng)FSK調(diào)制方式高8-10dB的靈敏度。升特（Semtech）公司將推出一款新的收發(fā)機，這款收發(fā)機集成了一種名為LoRa的擴頻調(diào)制方式和傳統(tǒng)的GFSK調(diào)制方式。圖1展示了在GFSK調(diào)制和LoRa擴頻調(diào)制兩種系統(tǒng)中靈敏度相對數(shù)據(jù)速率的關(guān)系曲線。

　　圖1：在GFSK調(diào)制和LoRa擴頻調(diào)制兩種系統(tǒng)中靈敏度相對數(shù)據(jù)速率的關(guān)系曲線。

　　有些擴頻調(diào)制方式對晶體引起的頻率偏差更不敏感，這類接收機在125kHz的帶寬下使用低成本的20ppm的晶體時獲得接近-140dBm的靈敏度。與FSK系統(tǒng)相比，使用同樣低成本的晶體時這種新的擴頻方式在靈敏度上改善了30dB，理論上相當于增加了5倍的傳輸距離。通過降低速率獲得最大傳輸距離和要求最長的電池壽命之間是相互沖突的。數(shù)據(jù)速率決定了空中傳輸時間，越高的傳輸速率，系統(tǒng)發(fā)射或接收將花費越少的時間。100kbps的系統(tǒng)大約只需要50kbps的系統(tǒng)的傳輸時間的一半。更快的速率可以使更多的節(jié)點在無競爭沖突下在同一區(qū)域共存，但這將降低接收靈敏度和傳輸距離。每一種接收機都會提供多種工作和休眠的模式，且不同模式下的功耗是不同的。各節(jié)點收發(fā)占空比將決定哪些模式會對功耗產(chǎn)生最大的影響。例如，如果一個節(jié)點頻繁地處于接收狀態(tài)，那接收電流就非常重要。同理，如果一個節(jié)點每天只發(fā)射一次，那睡眠電流就是最重要的因素。

　　頻帶選擇

　　考慮到多種2.4GHz技術(shù)標準，包括藍牙、Wi-Fi和Zigbee，很多廠家認為他們不得不使用一種標準協(xié)議進行設計，于是2.4GHz實際上就成了無線收發(fā)機工作頻率的一種選擇。在很多應用上市場驅(qū)動廠商采取已有的標準協(xié)議，這是事實。例如，Wi-Fi提供了通用的高速連接服務，而藍牙則為大容量消費類市場比如移動電話和電腦外圍設備等提供了兼容的互連服務。盡管如此，很多應用卻只需要相當?shù)偷乃俾?，并且工作在一個封閉的無線網(wǎng)絡環(huán)境中。在這些情況下，專有協(xié)議能顯著地降低系統(tǒng)成本，能最小化所使用處理器的資源，同時避免在規(guī)范兼容測試和logo授權(quán)上的花費。有些市場已經(jīng)同時使用不同的無線協(xié)議來滿足系統(tǒng)要求。以自動抄表為例，使用sub-GHz實現(xiàn)回程數(shù)據(jù)的遠距離傳輸，而使用2.4GHz完成室內(nèi)短距離通信。家庭安防系統(tǒng)可以使用Sub-GHz傳輸?shù)退賯鞲袛?shù)據(jù)，同時使用2.4GHz進行高速視頻傳輸。很多市場應用當涉及采用何種無線傳輸協(xié)議時仍懸而未決。例如，現(xiàn)有的家庭自動化系統(tǒng)使用Sub-GHz，但新出現(xiàn)的2.4GHz器件正在慢慢進入該市場。是使用Sub-GHz還是2.4GHz，有很多需要權(quán)衡考慮的地方。2.4GHz的主要優(yōu)點就是它是世界通用頻段，并且可以使用很小尺寸的天線。2.4GHz天線尺寸相當于900MHz天線尺寸的三分之一大小，并且因為藍牙和Wi-Fi的大量應用，2.4GHz系統(tǒng)能獲得更低的成本。2.4GHz系統(tǒng)的最主要缺點就是通信距離太短，這也限制了它在無線傳感網(wǎng)絡的應用；它的空間損耗比900MHz要高大約9dB。另外，2.4GHz頻段已經(jīng)非常擁擠，會受到Wi-Fi，藍牙和微波爐等設備的嚴重干擾。圖2總結(jié)了2.4GHz和Sub-GHz兩種系統(tǒng)的優(yōu)缺點。

　　新的基于擴頻的調(diào)制技術(shù)將可能改變上圖中顯示的2.4GHz和Sub-GHz的特性對比。使用擴頻技術(shù)可以抵消上述9dB的自由空間損耗，從而使2.4GHz的傳輸距離能與現(xiàn)今Sub-GHz的FSK系統(tǒng)相當。由于這種調(diào)制方式的性能，擴頻比普通的FSK或GFSK調(diào)制具有更好的抗干擾魯棒性。30dB的抗同頻干擾和顯著改善的選擇性/抗阻塞性使得2.4GHz系統(tǒng)能更可靠地工作。由于擴頻系統(tǒng)使用的不同的擴頻序列是相互正交的，這就意味著它們能在一個信道中同時傳輸。與現(xiàn)有的FSK系統(tǒng)相比，這個性能能顯著地改善網(wǎng)絡系統(tǒng)容量。