sub-GHz無線系統(tǒng)的優(yōu)勢與部署方案分析

為了構(gòu)建先進的無線系統(tǒng)，大多數(shù)開發(fā)人員最終將選擇兩種工業(yè)，科學和醫(yī)療(ISM)無線電頻段選項--2.4 GHz或sub-GHz頻率。將一個或另一個與系統(tǒng)的最高優(yōu)先級配對將提供無線性能和經(jīng)濟性的最佳組合。這些優(yōu)先級可包括：范圍，功耗，數(shù)據(jù)速率，天線大小，互操作性(標準)和全球部署。但是，對于低數(shù)據(jù)速率應用，例如家庭安全/自動化和智能計量，sub-GHz無線系統(tǒng)具有多種優(yōu)勢，包括更長的范圍，更低的功耗以及更低的部署和運營成本。

Sub-GHz無線電

Sub-GHz無線電可提供相對簡單的無線解決方案，可單獨使用電池供電長達20年。與2.4 GHz無線電相比的顯著優(yōu)勢包括：

范圍 - sub-GHz無線電的窄帶操作可實現(xiàn)一公里或更長的傳輸范圍。這允許sub-GHz節(jié)點直接與遠端集線器通信，而無需在節(jié)點之間跳躍，這通常需要使用更短距離的2.4 GHz解決方案。在2.4 GHz以上的應用中，sub-GHz優(yōu)越的性能有三個主要原因：

當無線電波穿過墻壁和其他障礙物時，信號會減弱。衰減率在較高頻率下增加，因此2.4 GHz信號比sub-GHz信號衰減得更快。

2.4 GHz無線電波也比sub-GHz波更快地衰減，因為它們在密集表面上反射。在高度擁擠的環(huán)境中，2.4 GHz的傳輸會迅速減弱，從而對信號質(zhì)量產(chǎn)生不利影響。

即使無線電波以直線傳播，它們也會在達到穩(wěn)固邊緣時彎曲(如同建筑)。隨著頻率的降低，衍射角度增加，允許sub-GHz信號在障礙物周圍進一步彎曲，從而減少阻塞效應。

Friis方程演示了sub-GHz無線電的優(yōu)越傳播特性，表明2.4 GHz時的路徑損耗比900 MHz時高8.5 dB。

對于900 MHz無線電，這相當于2.67倍更長的范圍，因為功率增加每增加6 dB，范圍大約翻倍。為了匹配900 MHz無線電的范圍，2.4 GHz解決方案需要大于8.5 dB的額外功率。

低干擾 - 航空公司充斥著來自各種的沖突2.4 GHz信號，例如家庭和辦公室Wi- Fi集線器，支持藍牙的計算機，手機外圍設備和微波爐。這種2.4 GHz信號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行高效操作。

例如，在300 MHz時，如果發(fā)送器和接收器晶體誤差(XTAL不準確)均為10 ppm(百萬分之一)，則每個誤差為3 kHz。對于高效發(fā)送和接收的應用，最小信道帶寬是誤碼率的兩倍，即6 kHz，這是窄帶應用的理想選擇。 2.4 GHz的相同場景要求最小48 kHz的信道帶寬，這會浪費窄帶應用的帶寬，并且需要更多的工作功率。

一般來說，所有無線電電路都運行在更高頻率，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到與低頻相同的性能。

圖1：隨著無線電頻率的降低，天線尺寸也會按比例增加。

范圍，低干擾和低功耗是超過2.4 GHz應用的sub-GHz應用的基本優(yōu)勢。經(jīng)常提到的缺點之一是天線比2.4GHz網(wǎng)絡中使用的天線大。例如，433 MHz應用的最佳天線尺寸可達7英寸。但是，天線尺寸和頻率成反比。如果節(jié)點尺寸是一個重要的設計考慮因素，開發(fā)人員可以提高頻率(高達950 MHz)，以便采用更小的天線。

2.4 GHz與sub-GHz應用趨勢的關(guān)系

2.4 GHz和sub-GHz技術(shù)正在消費，工業(yè)和汽車市場中不斷擴展。 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說明了sub-GHz和2.4 GHz應用在特定應用中的主導地位。遠程無鑰匙進入(RKE)是一種常見的sub-GHz應用，其中相當長距離(100+米)的低數(shù)據(jù)速率傳輸和非常長的電池壽命是高優(yōu)先級。遠程車庫門開啟器(GDO)和輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)(TPMS)也是如此。

有幾個市場，例如玩具，醫(yī)療設備，安全系統(tǒng)和樓宇自動化，其中兩個無線選項都在同一系統(tǒng)中使用。例如，在建筑安全性方面，需要2.4 GHz無線電來為高數(shù)據(jù)速率攝像機提供服務，而接近，壓力和加速度傳感器則使用sub-GHz協(xié)議進行聯(lián)網(wǎng)。

圖2：消費類，工業(yè)和汽車應用中的無線頻率趨勢。

范圍，功耗，天線尺寸和數(shù)據(jù)速率不是無線應用的唯一設計考慮因素。還必須解決全球部署和軟件堆棧大小和成本問題。

全球部署

全球合規(guī)性是許多無線應用的重要設計考慮因素。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無線電用于其所有控制臺，因為它是全球ISM分配。同樣，使用433 MHz頻段的無線應用共享全球sub-GHz ISM分配，日本是唯一的主要市場例外。

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

標準與專有解決方案

許多用于無線PHY，MAC和堆棧層的標準解決方案可用于2.4 GHz和sub-GHz應用。 802.15.4(PHY/MAC)，ZigBee，藍牙，6LoWPAN，Wi-Fi和RF4CE是廣泛使用的2.4 GHz解決方案。基于Sub-GHz標準的解決方案包括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雖然標準解決方案提供獨立于供應商的可互操作節(jié)點的優(yōu)勢，但它們通常會增加每個節(jié)點的成本和占用空間。

通過專用功能和小型軟件堆棧，專有解決方案可以實現(xiàn)更小的芯片尺寸和更少的內(nèi)存占用。更重要的是，不太復雜的堆棧簡化了部署并降低了維護成本。因此，專有的sub-GHz解決方案可以提供最便宜的點對點本地化網(wǎng)絡，例如車庫門開啟器或家庭自動化系統(tǒng)。

隨著智能電網(wǎng)技術(shù)的出現(xiàn)，更廣泛的遠程sub-GHz網(wǎng)狀網(wǎng)絡(專有或基于標準)的機會正在飛速發(fā)展。

用于智能電網(wǎng)技術(shù)的Sub-GHz應用》智能電網(wǎng)技術(shù)是21世紀的電子設備，可增強20世紀能源電網(wǎng)基礎設施的功能，實現(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)應用中具有明顯的優(yōu)勢。例如，其較長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成本。此外，電池供電的燃氣表和水表可以在不更換電池的情況下運行數(shù)年。世界各地的智能能源應用正在進行重大標準化工作(802.15.4 G，無線MBUS等)，其中sub-GHz是從儀表到公用事業(yè)的長距離通信鏈路的主要頻段。

自動化計量系統(tǒng) - 自動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確性，易于校準，更高的安全性和先進的計費功能。

完整的系統(tǒng)可以利用遠程，低成本的無線通信，實現(xiàn)智能電網(wǎng)所需的有效數(shù)據(jù)交換。

在圖3中，自動計量系統(tǒng)支持四種智能儀表：

電表通過測量消耗的千瓦時和負載的功率因數(shù)，以及記錄使用電的時間來支持多速率計量。

燃氣表和水表使用正位移流量計，測量單位體積的流體或氣體通過流量計的次數(shù)。低運行功率至關(guān)重要，因為這些儀表通常由電池供電。

圖3：用于智能電網(wǎng)應用的自動計量系統(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，這是通過測量通過系統(tǒng)的熱水流量并記錄其來計算的。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都配備了一個sub-GHz無線電，可以快速，低成本地將數(shù)據(jù)傳輸?shù)接嬃烤酆掀?或集線器)，作為公用事業(yè)公司的網(wǎng)關(guān)。反過來，聚合器可以通過相同的sub-GHz網(wǎng)絡從公用設施提供商返回到各個儀表。這樣可以更有效地利用可用的水和能源，并為客戶提供更準確的計費服務。

結(jié)論

Sub-GHz無線網(wǎng)絡可以在任何低數(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)絡的簡單點對點連接，其中長距離，強大的無線電鏈路和延長的電池壽命是主要優(yōu)先事項。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，更好的信號傳播和更小的存儲器占用空間降低了整體功耗，這可能導致多年的電池供電運行。

Silicon Labs是混合信號RF集成的全球領(lǐng)導者。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點對點，星形和網(wǎng)狀網(wǎng)絡以及復雜的，基于標準的網(wǎng)狀網(wǎng)絡應用。將這些無線電與Silicon Labs的混合信號MCU以及音頻，電源和定時IC相結(jié)合，將為更高效，更經(jīng)濟的無線網(wǎng)絡應用提供核心技術(shù)，用于消費和工業(yè)監(jiān)控。