为无线传感网构建做出正确的权衡

　越来越多的高性价比的无线技术和可应用于更广领域的解决方案的出现，带来了无线传感网和物联网应用的激增。无线系统制造商的目标就是提供更加灵活可靠的方案，在获得最长的电池寿命的同时尽可能扩展网络的传输距离。很多传感器网络都是由一些简单的节点组成，这些节点收集数据并将之发送给集中器。基于传统的方案，为改善性能需要折衷权衡考虑，而相比较而言，用于改善未来系统性能的新技术则在折衷考虑方面会有很大的不同。

　　传输速率和距离

　　传输速率是系统设计中一个关键的可变因素，它将决定整个系统整体性能的很多属性。无线传输距离由接收机灵敏度和发射机输出功率共同决定，两者之间的差值我们称之为链路预算。输出功率受限于标准规范，所以只有通过提高灵敏度来增加距离，而灵敏度又受数据速率非常重要的影响。对所有的调制方式来说，越低的速率，接收机的带宽越窄，接收灵敏度就越高。在现今高性价比无线收发机中应用最广泛的调制方式是FSK或者GFSK。要进一步减小FSK系统的接收机带宽，唯一可行的办法就是提高参考晶体的精确度。虽未经检验过但可以预见，这很容易就会产生比接收机带宽更宽的频率偏差。低成本的晶体一般只有20ppm的精度，这将限制使用载波频率为868MHz或915MHz系统的最大数据传输速率在20kbps，灵敏度在-112dBm。使用温补晶振可以获得更高的灵敏度，但是温补晶振的价钱将是普通晶体的三倍。

　　扩频调制方式在其他领域应用了很多年，但直到至今仍未使用于低成本的传感网络方案。在等同的数据速率条件下，商用的低成本扩频调制方式可以获得比传统FSK调制方式高8-10dB的灵敏度。升特（Semtech）公司将推出一款新的收发机，这款收发机集成了一种名为LoRa的扩频调制方式和传统的GFSK调制方式。图1展示了在GFSK调制和LoRa扩频调制两种系统中灵敏度相对数据速率的关系曲线。

　　

　　图1：在GFSK调制和LoRa扩频调制两种系统中灵敏度相对数据速率的关系曲线。

　　有些扩频调制方式对晶体引起的频率偏差更不敏感，这类接收机在125kHz的带宽下使用低成本的20ppm的晶体时获得接近-140dBm的灵敏度。与FSK系统相比，使用同样低成本的晶体时这种新的扩频方式在灵敏度上改善了30dB，理论上相当于增加了5倍的传输距离。通过降低速率获得最大传输距离和要求最长的电池寿命之间是相互冲突的。数据速率决定了空中传输时间，越高的传输速率，系统发射或接收将花费越少的时间。100kbps的系统大约只需要50kbps的系统的传输时间的一半。更快的速率可以使更多的节点在无竞争冲突下在同一区域共存，但这将降低接收灵敏度和传输距离。每一种接收机都会提供多种工作和休眠的模式，且不同模式下的功耗是不同的。各节点收发占空比将决定哪些模式会对功耗产生最大的影响。例如，如果一个节点频繁地处于接收状态，那接收电流就非常重要。同理，如果一个节点每天只发射一次，那睡眠电流就是最重要的因素。

　　频带选择

　　考虑到多种2.4GHz技术标准，包括蓝牙、Wi-Fi和Zigbee，很多厂家认为他们不得不使用一种标准协议进行设计，于是2.4GHz实际上就成了无线收发机工作频率的一种选择。在很多应用上市场驱动厂商采取已有的标准协议，这是事实。例如，Wi-Fi提供了通用的高速连接服务，而蓝牙则为大容量消费类市场比如移动电话和电脑外围设备等提供了兼容的互连服务。尽管如此，很多应用却只需要相当低的速率，并且工作在一个封闭的无线网络环境中。在这些情况下，专有协议能显著地降低系统成本，能最小化所使用处理器的资源，同时避免在规范兼容测试和logo授权上的花费。有些市场已经同时使用不同的无线协议来满足系统要求。以自动抄表为例，使用sub-GHz实现回程数据的远距离传输，而使用2.4GHz完成室内短距离通信。家庭安防系统可以使用Sub-GHz传输低速传感数据，同时使用2.4GHz进行高速视频传输。很多市场应用当涉及采用何种无线传输协议时仍悬而未决。例如，现有的家庭自动化系统使用Sub-GHz，但新出现的2.4GHz器件正在慢慢进入该市场。是使用Sub-GHz还是2.4GHz，有很多需要权衡考虑的地方。2.4GHz的主要优点就是它是世界通用频段，并且可以使用很小尺寸的天线。2.4GHz天线尺寸相当于900MHz天线尺寸的三分之一大小，并且因为蓝牙和Wi-Fi的大量应用，2.4GHz系统能获得更低的成本。2.4GHz系统的最主要缺点就是通信距离太短，这也限制了它在无线传感网络的应用；它的空间损耗比900MHz要高大约9dB。另外，2.4GHz频段已经非常拥挤，会受到Wi-Fi，蓝牙和微波炉等设备的严重干扰。图2总结了2.4GHz和Sub-GHz两种系统的优缺点。

　　

　　新的基于扩频的调制技术将可能改变上图中显示的2.4GHz和Sub-GHz的特性对比。使用扩频技术可以抵消上述9dB的自由空间损耗，从而使2.4GHz的传输距离能与现今Sub-GHz的FSK系统相当。由于这种调制方式的性能，扩频比普通的FSK或GFSK调制具有更好的抗干扰鲁棒性。30dB的抗同频干扰和显著改善的选择性/抗阻塞性使得2.4GHz系统能更可靠地工作。由于扩频系统使用的不同的扩频序列是相互正交的，这就意味着它们能在一个信道中同时传输。与现有的FSK系统相比，这个性能能显著地改善网络系统容量。