果断收藏!关于低功耗无线技术选型,这是难得的干货!

2018-01-04 来源:Digi-Key 我要评论(0) 字号:

低功耗无线技术选型

图1: 可穿戴电子设备是低功耗无线技术适用的主要市场领域。(图片来源:Nordic Semiconductor)

目前科技的发展,在很大程度上集中于使用传感器收集和传递信号与数据的物联网(IoT) 连接上。终端产品的用例涵盖从智能手机、健康和健身类可穿戴电子设备(图1)及家庭自动化,到智能电表和工业控制等。这些产品都具有超低功耗、低成本和小体积的设计约束。

本文将讨论和对比低功耗无线技术的几种主要选择,讨论每种技术的基本原理及其关键操作特性,如频段、网络拓扑支持、吞吐量、范围和共存等。本文是有关低功耗无线技术选型及应用专题系列文章的第一篇。

八大主流技术

工程师在低功耗无线技术方面现在有很多选择,包括低功耗蓝牙(BLE)、ANT、ZigBee、RF4CE、NFC、Nike+和Wi-Fi等基于射频的技术,以及红外数据协会(IrDA)所倡导的红外技术。

但是,这种广泛的选择却加大了选择过程的难度。每种技术都会在功耗、带宽和范围之间进行权衡。有些技术基于开放标准,而其他技术则保持专有。让情况变得更加复杂的是,为了满足物联网的需求,新的无线接口和协议不断涌现。下面我们就对这些主流的低功耗无线协议进行一个梳理。

1、低功耗蓝牙:不断扩张的版图

低功耗蓝牙始于诺基亚研究中心一项名为Wibree的项目。2007年,该技术为蓝牙技术联盟(SIG)所采用。2010年,SIG在推出蓝牙4.0版(v4.0)时引入该技术,作为一种超低功耗的蓝牙技术。

该技术将蓝牙生态系统扩展到可穿戴电子设备等电池容量较小的应用。其在目标应用中采用微安平均电流,与智能手机、音频耳机和无线台式电脑中常用的“传统”蓝牙互补。

该技术在2.4 GHz工业、科研和医疗(ISM)频段工作,适用于传输来自紧凑型无线传感器或其他可使用完全异步通信的外设的数据。这些设备很少发送少量数据(即少数字节)。其占空比范围从每秒几次到每分钟一次,或者更长。

从蓝牙v4.0开始,蓝牙内核规范定义了两种芯片类型: 一种是低功耗蓝牙芯片;另一种蓝牙芯片采用经过修改的堆栈,加上集成以前版本的基本速率(BR)/增强型数据速率 (EDR)物理层(PHY)以及低功耗(LE)PHY(“BR/EDR + LE”),使其可与该标准的所有版本和芯片变体进行互操作。低功耗蓝牙芯片可以与其他低功耗蓝牙芯片和符合蓝牙v4.0或更高版本标准的蓝牙芯片互操作。

在许多消费应用中,低功耗蓝牙芯片可与蓝牙芯片协同工作,但由于4.1、4.2和5版中增强了标准,低功耗蓝牙芯片正越来越多地作为一个独立的设备使用。

近期推出的蓝牙5规范将低功耗蓝牙的原始数据速率从1Mb/s提高到2Mb/s,且提供了比以前版本高4倍的范围。请注意,最大吞吐量和最大范围不能同时实现,这是传统的权衡。蓝牙SIG最近还采用了蓝牙mesh 1.0,用于支持在网状网络拓扑中配置该技术,本系列专题文章的第3部分将对此进行更详细的介绍。

有关低功耗蓝牙的全面概述,请参见“兼容蓝牙4.1、4.2 和5 的低功耗蓝牙 SoC 和工具可应对物联网挑战(第1 部分)”。

2、ANT:为纽扣电池供电设备而生

ANT是一种超低功耗无线协议,在2.4 GHz ISM频段工作,堪比低功耗蓝牙。它与低功耗蓝牙一样,专为纽扣电池供电的传感器(拥有数月或数年的电池寿命)而设计。该协议由Dynastream Innovations(一家加拿大公司,现已并入Garmin)于2004年发布。Dynastream Innovations 并不生产芯片,但设计人员可以从生产nRF51422 SoC 的Nordic Semiconductor以及Texas Instruments (TI)等公司的2.4 GHz收发器上获得其固件。不过,该公司还提供一系列运行ANT协议并经过全面测试和认证的射频模块,这些模块几乎不需要什么设计集成工作,且已经通过监管认证。

虽然ANT是一种专有的射频协议,但可以通过ANT+管理网络支持互操作性。ANT+有助于实现ANT+ Alliance成员设备之间的互操作性,也有助于完成传感器数据的收集、自动传输和跟踪。互操作性通过设备配置文件来确保;任何实施特定设备配置文件的ANT+ 设备都可与实施同一设备配置文件的任何其他ANT+设备进行互操作。新产品必须通过ANT+认证测试才能实现互操作性。该认证由ANT+ Alliance负责管理。

ANT和ANT+最初针对的是运动和健身细分市场,但最近该产品已经用于家庭和工业自动化领域的应用。该协议仍在不断发展,最近宣布推出的ANT BLAZE是一种面向企业的网状网技术,用于节点数较多的物联网应用。(请参见本系列专题文章的第3部分)

3、ZigBee:网状网络实力玩家

ZigBee 是一种低功耗无线规范,使用基于IEEE 802.15.4的PHY和介质访问控制 (MAC)。除此之外,它运行由ZigBee Alliance控制的协议。该技术被设计用于面向工业和家庭自动化领域的网状网络,使其领先于某些竞争技术。

ZigBee的工作频段包括2.4GHz ISM频段以及Sub-GHz频段——784 MHz(在中国)、868 MHz(在欧洲)和915 MHz(在美国和澳大利亚)。其数据速率在20Kb/s(868 MHz频段)至250Kb/s(2.4 GHz 频段)之间变化。ZigBee使用16个间隔为5MHz的2MHz通道,因此频谱效率因未使用的分配而有所降低。

ZigBee PRO于2007年发布,提供了稳健部署所需的更多功能,包括更高的安全性。ZigBee Alliance刚刚宣布推出ZigBee PRO 2017,这是一种能够同时在2.4GHz和800-900MHz ISM频段工作的网状网络。

4、RF4CE:射频遥控定制协议

消费电子射频(RF4CE)基于ZigBee,但采用针对射频遥控要求而定制的协议。2009 年,以下四家消费电子公司对RF4CE进行了标准化:Sony、Philips、Panasonic和Samsung。该技术得到多家芯片供应商的支持,其中包括Microchip、Silicon Labs 和Texas Instruments。RF4CE的预期用途是用作设备遥控系统,例如用于电视机顶盒。该技术使用射频来克服红外(IR)遥控的互操作性、瞄准线和功能有限等缺陷。

最近,RF4CE面临着来自用于遥控应用的低功耗蓝牙和ZigBee的激烈竞争。

5、Wi-Fi:凭HaLow加入低功耗无线战局

基于IEEE 802.11的Wi-Fi是一种非常高效的无线技术;但该技术针仅对使用高速吞吐量传输大量数据进行了优化,并未针对实现低功耗进行优化。因此,Wi-Fi不适合低功耗(纽扣电池)工作。近年来,该技术在降低功耗方面已取得一些改进,包括IEEE标准802.11v(指定客户端设备在连接到无线网络时的配置)等修订。IEEE 802.11ah(Wi-Fi“HaLow”)于2017年发布,其在90MHz ISM频段工作,与在2.4GHz和5GHz频段工作的Wi-Fi版本相比,可实现更低的功耗和更广的范围。

6、NIKE+:正在衰落的专有协议

Nike+是运动服饰制造商Nike面向健身市场开发的专有无线技术。它主要用于将集成2.4 GHz无线电芯片的Nike“计步器”与负责分析并提供所收集数据的Apple移动设备连接起来。由于新一代智能手机采用了相同的技术,Nike+硬件虽然仍然受到一群健身爱好者的青睐,但已经开始衰落。Nike已放弃其无线健身频段的产品,转而将重点放到智能手机软件应用上。Nike+系统所基于的专有无线技术目前仍用于无线鼠标和键盘等产品。如果没有互操作性要求,类似技术(如Nordic Semiconductor的nRF24LE1)的确能在无需满足标准合规性的情况下提供可与低功耗蓝牙等技术相媲美的性能。

7、IrDA:固守传统市场空间

红外数据协会(IrDA) 由大约50家公司组成,并以IrDA的名义发布了多个红外通信协议。IrDA并非基于射频的技术,而是采用红外光的调制脉冲来传输信息。该技术的主要优势在于内置安全性(因为它不是射频)、非常低的比特误码率(BER)(可提高效率)、无需监管合规认证及低成本。该技术还有高速版本,可提供1 Gb/s的传输速率。

红外技术的缺点在于范围有限(特别是高速版本)、具有“瞄准线”要求,以及在标准实施中缺乏双向通信。与无线电技术相比,IrDA也不是特别节能(就每比特功率而言)。对于以成本为关键设计参数的基本遥控应用,IrDA可以保持市场份额,但在需要提高控制功能(例如智能电视所需的控制功能)的情况下,设计人员通常会指定低功耗蓝牙和RF4CE。

8、NFC:细分利基市场宠儿

近场通讯(NFC)技术在13.56MHz ISM频段工作。在此低频下,发射和接收环形天线主要分别用作变压器的初级和次级绕组。数据传输通过磁场而非伴随的电场完成,因为后者在短距离内并不占优势。NFC以高达424Kb/s的速率传输数据。顾名思义,它适用于最大工作范围为10厘米的极短距离通信。因为此局限性,它无法与低功耗蓝牙、ZigBee、Wi-Fi 和类似技术直接竞争。NXP USA 等制造商提供诸如CLRC66303 NFC 收发器之类的芯片。

NFC的关键优势在于,“无源”NFC设备(例如支付卡)不需要电源,只有在供电NFC设备近距离范围内才会变为有源设备。NFC已广泛应用于非接触式支付技术,并用作与其他无线技术(如低功耗蓝牙设备)进行配对的方法,而不存在“中间人”攻击的安全风险。NFC可能会作为一项补充本文所述其他无线技术的利基应用技术而获得较大的市场份额。

五种网络拓扑

低功耗无线技术支持多达五种主要的网络拓扑:

·   广播: 从发射器将消息发送到覆盖范围内的任何接收器。通道是单向的,不会确认已收到消息。(见图2a)
·   端对端: 两个收发器通过双向通道连接起来,可以借该通道确认消息并双向传输数据。(见图2b)
·   星形: 中央收发器通过双向通道与多个外围收发器进行通信。外围收发器彼此间不能直接通信。(见图2c)
·   扫描: 中央扫描设备保持接收模式,等待接收从覆盖范围内任何发射设备发出的信号。通信是单向的。(见图2d)
·   网状: 可以跨越连接多个节点的双向通道(通常使用具有集线器和中继器等其他功能的节点服务)将消息从网络中的一个点中转到任何其他点。(见图2e)

图2显示了这些网络拓扑,表1中概述了上述每种无线技术所支持的网络拓扑。

图2:低功耗无线技术经过发展,已经可以支持越来越复杂的网络拓扑。(图片来源:Texas Instruments)

表1: 低功耗无线技术支持的网络拓扑。(表格来源:Digi-Key)

(注释:1,必须为侦听广播信号的节点激活连续接收模式;2,所有网络流量停止且功耗很高。)

四个关键性能

(1)范围

通常认为,无线技术的范围与发射器的功率输出和按分贝(“链路预算”)衡量的接收器射频灵敏度相结合的结果成正比。功率传输和灵敏度的提高能够有效改善信噪比(SNR),因此可以扩大覆盖范围。SNR可衡量接收器从环境噪声中正确提取并解码信号的能力。在阈值SNR下,BER会超过无线电的规格,导致通信失败。例如,按照低功耗蓝牙接收器的设计,其最大BER容差仅0.1%左右。

免牌照2.4GHz ISM频段的最大功率输出受到监管机构的限制。相关规定通常很复杂,但基本上是这样规定的:跳频频率数少于75个但至少达到15个的跳频系统,在其天线输入处测量的峰值发射功率必须限定为+21dBm峰值;若全向天线增益大于6dBi,则输出还须有所降低。这样,最大等效全向辐射功率(EIRP) 就是+27dBm。

除了此规范外,低功耗无线技术还包括对传输功率的规范限制,旨在最大限度延长电池寿命。限制无线电处于高功率发射或接收状态的时间可节约大量电能,但射频芯片制造者也可以通过将低功耗蓝牙最大发射功率限定为+4dBm来节能(此为通常情况,有时也可限定为+8dBm,均远远低于相关规范规定的+21dBm限值)。

不过,发射功率和灵敏度并非限制无线设备范围的唯一因素。工作环境(例如是否存在天花板和墙壁)、射频载波的频率、设计布局、机械构造和编码方案都会对范围产生影响。范围通常是针对“理想”环境而言,但设备经常会用于使其受到严重影响的环境。例如,2.4GHz信号遇到人体会严重衰减,因此戴在手腕上的可穿戴电子设备可能难以将信号发射到装在背包里的智能手机上,哪怕它们之间可能仅仅相距一米左右。

此列表显示了超低功耗技术在没有其他射频或光源干扰的畅通无阻环境中所能实现的典型范围:

· NFC:10 cm
· 高速IrDA:10 cm
· Nike+:10 m
· ANT(+):30 m
· 5GHz Wi-Fi:50 m
· ZigBee/RF4CE:100 m
· 低功耗蓝牙:100 m
· 2.4GHz Wi-Fi:150 m
· 使用蓝牙5扩展范围功能的低功耗蓝牙:200~400m(取决于前向纠错编码方案)

(2)吞吐量

通过低功耗无线技术进行传输包括两部分:实施协议的比特(例如数据包ID和长度、通道和校验和,统称为“开销”)和传递的信息(称为“有效载荷”)。有效载荷与开销加有效载荷之和的比值决定了协议效率(图3)。

图3:低功耗无线技术数据包(此处显示的是低功耗蓝牙/蓝牙4.1)包含开销和有效载荷。协议效率由每个数据包中携带的有用数据量(有效载荷)决定。(图片来源: 蓝牙SIG)

“原始”数据速率(开销加有效载荷)可衡量每秒传输的位数,营销材料中通常会引用该数字。有效载荷数据速率总是比该数字低。(本系列专题文章的第2部分将详细介绍每种协议的效率及其对电池寿命的后续影响)

低功耗无线技术通常需要在传感器节点与中央设备之间定期传输少量传感器信息,同时最大限度地降低功耗,因此带宽通常是适中的。

以下列表对本文所述技术的原始数据和有效载荷吞吐量进行了比较。(请注意,这些数据是理论最大值,实际吞吐量取决于配置和工作条件):

· Nike+:2Mb/s,272bits/s(有意将吞吐量限制为每秒一个数据包)
· ANT+:20Kb/s(在猝发模式下–请见下文),10Kb/s
· NFC:424Kb/s,106Kb/s
· ZigBee:250Kb/s(在2.4GHz下),200Kb/s
· RF4CE(与ZigBee相同)
· 低功耗蓝牙:1Mb/s,305Kb/s
· 高速IrDA:原始数据1Gb/s,有效载荷500Kb/s
· 具有蓝牙5高吞吐量的低功耗蓝牙:2Mb/s,1.4Mb/s
· Wi-Fi:11Mb/s(功耗最低的802.11b模式),6Mb/s

(3)延时

无线系统的延时可定义为信号发射到接收之间的时间。虽然延时通常只有几毫秒的时间,但它对于无线应用来说是一项重要考量因素。例如,低延时对于自动向传感器轮询数据(可能每秒一次)的应用来说并不那么重要,但是对于像遥控这样用户期望在按下按键到后续操作之间察觉不出延时的消费应用而言,低延时可能会变得非常重要。

以下列表对本文所述技术的延时进行了比较。(同样请注意,这些值取决于配置和工作条件。)

· ANT:可忽略不计
· Wi-Fi:1.5ms
· 低功耗蓝牙:2.5 ms
· ZigBee:20ms
· IrDA:25ms
· NFC:通常每秒轮询一次(但可由产品制造商指定)
· Nike+:1s

请注意,ANT和Wi-Fi引用的低延时需要接收设备持续侦听,这会快速消耗电池电量。对于低功耗传感器应用,可以通过延长ANT消息传送时段来改善电池消耗,但代价是延时会增加。

(4)稳健性和共存

可靠的数据包传输对电池寿命和用户体验有着直接的影响。一般来说,如果数据包因传输环境欠佳、来自附近无线电的意外干扰或故意的频率干扰而无法送达,发射器会一直尝试,直到数据包成功送达。这种行为需要以牺牲电池寿命为代价。此外,如果无线系统限于单个传输通道,其可靠性在拥挤的环境中将不可避免地下降。

一种无线电在存在其他无线电的情况下工作的能力称为共存。当无线电几乎没有间隔地在同一台设备中工作时(例如智能手机中的低功耗蓝牙和Wi-Fi),这种情况会特别有趣。在蓝牙与Wi-Fi之间实现共存的一种标准方法是使用带外信号传输方案,该方案包括在每个集成电路(IC)之间建立有线连接,以便在每个IC可以自由发射或接收时进行协调。在本文中,被动共存是指干扰避免系统,主动共存是指芯片之间的信号传输。

有一种经过验证的方法可以帮助实现被动共存,那就是信道跳频。低功耗蓝牙使用跳频扩频(FHSS),在其37个数据通道之间以伪随机模式跳频,从而避免干扰。低功耗蓝牙所谓的自适应跳频(AFH)使每个节点都能映射频繁拥塞的通道,然后在未来的事务中避免这些通道。该规范的最新版本(蓝牙5)引入了改进的通道序列化算法(CSA #2),用于提高下一跳通道序列化的伪随机性,从而提高抗干扰能力。

ANT支持使用多个射频工作频率(带宽均为1 MHz)。一旦选定,所有通信都将在一个频率上进行,且只有在选定频率出现明显衰减时才会发生信道跳频。

为了减轻拥塞,ANT使用时域多路存取(TDMA)自适应同步方案,将每个1MHz频段细分为大约7ms的时隙。这些时隙根据ANT消息传送时段(例如,每250ms或4Hz)重复,通道上的配对设备就在这些时隙期间进行通信。在实际应用中,一个1MHz频带中可以容纳数十个甚至数百个节点而不发生冲突。在数据完整性至关重要的情况下,ANT可以使用“猝发”消息传送技术;这是一种多消息传输技术,使用全部可用带宽并运行至全部数据传输完成。

有些可用的ANT射频通道(如2.450 GHz和2.457GHz)由ANT+ Alliance进行分配和管理,用于维护网络完整性和互操作性。该联盟建议在正常工作期间避免使用这些通道。

与低功耗蓝牙的FHSS技术和ANT的TDMA方案相比,ZigBee(和RF4CE)采用直接序列扩频(DSSS) 方法。DSSS期间,在发射器上将信号与伪随机码混合,然后在接收器上提取信号。该技术通过在宽带上传输发射信号来有效提高信噪比(图4)。ZigBee PRO实施了另一种称为频率捷变的技术,网络节点借此扫描清晰的频谱并通知协调器,以便在整个网络中使用该通道。不过,实际操作中鲜少部署此功能。

图4:ZigBee 尝试通过在所分配的频谱上传输发射信号来减轻其他2.4 GHz 无线电的干扰。(图片来源:Texas Instruments)

Wi-Fi在美国使用11个20 MHz通道,在全球其他大部分地区使用13个通道,在日本使用14个通道。因此,在2.45GHz频谱分配的83MHz宽度范围内,仅可为三个非重叠的Wi-Fi 通道(1、6 和11)提供足够的空间。这些通道也因此而被用作默认通道。它们不含自动信道跳频功能,但是如果在工作中证明存在干扰问题,用户可以手动切换到另一个通道。

在选定通道内,Wi-Fi的干扰避免机制很复杂,但基本上是将DSSS与正交频分复用 (OFDM)相结合。OFDM是一种使用许多具有低速率调制的近距离载波的传输形式。由于信号是正交传输的,因此近距离相互干扰的可能性大大降低。

5GHz Wi-Fi在725 MHz宽度分配范围内工作,可以分配更多非重叠通道。因此,与2.4GHz Wi-Fi相比,显著降低了发生干扰问题的机会。

Wi-Fi还采用主动共存技术,以及在检测到来自其他无线电的干扰时降低数据速率的机制。

这就是无处不在的Wi-Fi。其他2.4GHz技术包括避免与默认Wi-Fi通道(1、6 和11)冲突的技术。例如,低功耗蓝牙的三个广告通道位于默认Wi-Fi通道之间的间隙中(图5)。

图5: 低功耗蓝牙的广播通道离Wi-Fi默认通道较远。请注意,还有另外七个通道也可以摆脱潜在的Wi-Fi干扰。(图片来源:Nordic Semiconductor)

Nike+采用专有的频率捷变方案,在干扰变得具有破坏性时切换通道。由于该技术的最小数据传输速率和占空比,需要这样做的情况极少。

IrDA没有实施任何形式的共存技术。但是,作为一种光学技术,它只可能受到包含重要红外元件的极亮背景灯影响。由于操作距离短且有瞄准线要求,即便是同时工作的红外设备也不太可能相互干扰。

NFC实施了某种形式的共存技术,读取器借助该技术从包含多张NFC卡的钱包中选择特定卡的NFC标签。由于传输距离短,其他NFC设备和/或其他无线电之间的干扰级为罕见。但值得注意的是,调频(FM)频段中的13.56MHz频段具有谐波,并且在81.3MHz和94.9MHz频段谐波尤为强烈。这些谐波有可能导致同地协作FM接收器中出现咔嗒噪声。可以实施防冲突技术(例如,通过“偏移”或清理)来降低FM干扰效应。

总结

目前有许多常用的低功耗无线技术。虽然每种技术都是针对电池供电工作及相对适度的数据传输而设计的,但它们具有不同的范围、吞吐量、稳健性和共存功能。这些不同性能适合不同的应用,即使有很大程度的重叠。

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