使用sub-1GHz的频谱连接 基于无线的物联网应用
美国爱特梅尔公司董事Magnus Pedersen
低功耗无线数据通讯的使用已经深入到我们日常忙碌生活的方方面面。从无线遥控玩具、婴儿监视器到家庭自动化应用，很多该类设计都采用2.4 GHz无线射频频谱，且受IEEE 802.15.4标准管辖。与Wi-Fi和蓝牙不同，该标准旨在支持需要短距离和低数据率的大量的可能应用，所针对的是极低功耗的产品，且无需对电池进行任何维护，就能够连续运转多年。所针对的是极低功耗 且无需进行任何维护，，就能够连续运转多年。
射频频谱也称为ISM频段（工业、科学和医疗），该特定领域已太过热门。微波炉、无线路由器及蓝牙耳机等已与其实现一切共享，需要开发更多频谱以适应通信链路可靠性和数据吞吐量的递增需求。虽然通过使用诸如频道切换和扩展频谱的使用，链级协议已经专门用于更好地抵抗干扰，，但这可能会影响数据速率。
当2003年发布第一个IEEE 802.15.4标准时，规定2.4 GHz频段16个信道，在868 MHz频段1个信道，在928 MHz频段10个信道。该标准的最近更新已扩大了可用的sub-1 GHz信道的数量。最初面向欧洲和北美，这些新信道的数量正在欧洲（3个信道）和北美（30个信道）扩展。
最新版IEEE 802.15.4标准也为中国（779至787 MHz）和日本（915至930 MHz）sub-1GHz的频谱提供支持。除为ISM应用提供更多有效的频谱外，769至935 MHz频率的使用也在建筑物内提供更可靠的传播特性；理想上适合于一些应用程序，例如智能计量、工业照明和环境控制。802.15.4调变技术的最新进步，也使得潜在数据吞吐速率由20/40 kb/s增加到100 kb/s/250 kb/s。
引领sub-1GHz应用发展的是新的无线收发器集成电路（IC），例如Atmel AT86RF212B装置。此低功耗、低压769至935 MHz收发器，专门为ZigBee/802.15.4、6LoWPAN和高速ISM应用而设计。一个完整的SPI-天线方，则所需的外部元件仅是一个晶体、旁路电容器和天线。所有模拟无线电、数字调制/解调及数据缓冲均在芯片上发生。
该收发器也整合了板载128- bit AES加密引擎，24 us内可提供16字节。
图1- Atmel AT86RF212B单芯片无线电收发器方块图
|
XTAL 1 |
XTAL 1 |
|
TX Power |
发射功率 |
|
Voltage Regulator |
电压调节器 |
|
Mixer |
混频器 |
|
Frequency Synthesis |
频率合成 |
|
FTN, BATMON |
四端网络，BATMON |
|
Analog Domain |
模拟域 |
|
Configuration Registers |
配置寄存器 |
|
TX BBP |
TX BBP |
|
SPI (Slave) |
SPI（伺服） |
|
TRX Buffer |
TRX缓冲器 |
|
Control Logic |
控制逻辑 |
|
Digital Domain |
数字域 |
除支持当前IEEE 802.15.4调制方案外，AT86RF212B也支持适用于高速ISM应用且高达1000 kb/s的专有数据速率。
如同任何无线设计一样，射频性能对接收器灵敏度和发射机功率都至关重要。综合这两个参数，“链路预算”规定了无线系统的范围和稳健稳健性。链路预算越高，可实现的范围越好，额外边缘援助提供一个更稳固的方法。链路预算指接收机灵敏度与发射输出功率间的动态区域。例如，Atmel AT86RF212B无线电收发器装置的接收器灵敏度为-110dBm，发射机输出功率为+10dBm，因此其链路预算为120 dB。链路预算矩阵的另一方面是，接收器灵敏度将受数据速率和工作频率的影响。虽然对短距离使用来说并不是很重要，
但要满足恶劣环境下对系统的坚固性需求，要求单个电池在无需维护的情况下运行多年，有关于此的设计可能会受到影响。例如煤气表和水表、工业照明控制、环境监控和高达1000kb/s的其他专有系统。为设计选择合适的数据速率也影响范围和功耗。例如，将数据速率从1000 kb/s降低到20 kb/s可使范围增加6倍。但是，本文的重点是，通过将频率从2400 MHz减少到915 MHz从而使范围增加2.6倍。
图2-自由频谱区域与频率对比
|
|
AT86RF233 |
AT86RF212B |
单位 |
|
频段 |
2400 |
915 |
MHz |
|
发射功率 |
+3 |
+3 |
dBm |
|
调制 |
O-QPSK |
O-QPSK |
|
|
数据速率 |
250 |
250 |
kb/s |
|
灵敏度 |
-101 |
-101 |
dBm |
|
链路预算 |
104 |
104 |
dB |
|
自由频谱区域 |
1.6 |
4.1 |
km |
虽然增加一个外部前端阶段将增加范围和链路稳健性，但这也会增加功耗。这将需要仔细考虑，如何平衡许多潜在应用和实际使用中可能遇到的个案。在此情况下，可能需要额外的控制元件，将控制与选择的收发器相结合。例如，Atmel AT86RF212提供了必要的逻辑信号，便于在无任何固件交互时对外部RF前段进行自动控制。
接入可在室内任何位置安装的智能仪表时，需考虑系统的天线位置。无线信号有多条路径，通过Wi-Fi我们了解到室内环境带来了许多挑战。信号在最终接收前，可沿着多条路径传递。每次反弹均可导致相移、时间延误、乃至在接收天线开口处可以相消干涉的畸变。在使用不止一个天线接收信号的情况下，天线分集对缓解这些多路径状况非常有效。这是因为多重天线提供了相同信号接收器的多次观察结果。每个天线将经历不同的干扰环境。因此，如果一个天线正在经历一个深度衰减，另一个天线则可能有足够信号。在其共同作用下，此类系统可提供一个稳固链路。例如，AT86RF212B装置使用两个天线选择最可靠的RF信号路径。这由无线电收发器在前同步信号场搜索期间进行，且不需应用软件的交互作用。
图3-天线分集提高可靠性
目前考虑设计的许多物联网（IoT）将通过电池供电，大多情况下通过单电池供电。智能能源和建筑物控制将取决于壁装传感器，因此如果产品目标是获得广泛的用户群和业界认可，则必须有一个超低功耗。开发者将需要仔细研究整体功率预算，并充分利用主机微控制器和无线电收发器的睡眠模式。作为指导，AT86RF212B装置的睡眠消耗为0.2uA，收发器为9.2mA，5dBm功率下传输时的功耗为18mA。
开始一个新IoT设计前，工程师需仔细审查预期的使用案例，并选择合适的无线电收发器。由于存在许多技术问题，因此开发者还需留意可能有助于实现更快开发周期的任何工具。
从无线的角度具体来看，分析功耗和误差检验及主机MCU库代码的任何工具，对这方面的设计都大有裨益。就低级别IEEE802.15.4 MAC驱动对智能计量和其他基于网格应用的可用性而言，网状网络堆栈必不可少。一个配备良好的无线电收发器也将有一个现成开发或评估板，在完成设计前，可在此现成开发或评估板上快速测试和调试原型设计。
dB
自由频谱区域
1.6
4.1
km
虽然增加一个外部前端阶段将增加范围和链路稳健性，但这也会增加功耗。这将需要仔细考虑，如何平衡许多潜在应用和实际使用中可能遇到的个案。在此情况下，可能需要额外的控制元件，将控制与选择的收发器相结合。例如，Atmel AT86RF212提供了必要的逻辑信号，便于在无任何固件交互时对外部RF前段进行自动控制。
接入可在室内任何位置安装的智能仪表时，需考虑系统的天线位置。无线信号有多条路径，通过Wi-Fi我们了解到室内环境带来了许多挑战。信号在最终接收前，可沿着多条路径传递。每次反弹均可导致相移、时间延误、乃至在接收天线开口处可以相消干涉的畸变。在使用不止一个天线接收信号的情况下，天线分集对缓解这些多路径状况非常有效。这是因为多重天线提供了相同信号接收器的多次观察结果。每个天线将经历不同的干扰环境。因此，如果一个天线正在经历一个深度衰减，另一个天线则可能有足够信号。在其共同作用下，此类系统可提供一个稳固链路。例如，AT86RF212B装置使用两个天线选择最可靠的RF信号路径。这由无线电收发器在前同步信号场搜索期间进行，且不需应用软件的交互作用。
图3-天线分集提高可靠性
目前考虑设计的许多物联网（IoT）将通过电池供电，大多情况下通过单电池供电。智能能源和建筑物控制将取决于壁装传感器，因此如果产品目标是获得广泛的用户群和业界认可，则必须有一个超低功耗。开发者将需要仔细研究整体功率预算，并充分利用主机微控制器和无线电收发器的睡眠模式。作为指导，AT86RF212B装置的睡眠消耗为0.2uA，收发器为9.2mA，5dBm功率下传输时的功耗为18mA。
开始一个新IoT设计前，工程师需仔细审查预期的使用案例，并选择合适的无线电收发器。由于存在许多技术问题，因此开发者还需留意可能有助于实现更快开发周期的任何工具。
从无线的角度具体来看，分析功耗和误差检验及主机MCU库代码的任何工具，对这方面的设计都大有裨益。就低级别IEEE802.15.4 MAC驱动对智能计量和其他基于网格应用的可用性而言，网状网络堆栈必不可少。一个配备良好的无线电收发器也将有一个现成开发或评估板，在完成设计前，可在此现成开发或评估板上快速测试和调试原型设计。
