跳频与扩频:无线机器对机器接口

技术分类: 嵌入式系统  | 2007-09-14
Paul Rako,EDN技术编辑

一个巧妙的应用是将ZigBee 节点嵌入到道路中的反射凸点上


  要更好地理解无线M2M 网络的特性与缺点,切记模拟设计原则应用在两个关键领域:网络的实际无线通信与高级系统设计。在这方面,不能迷信所有营销人员的宣传,而期望你的系统会达到那种水平。高速CMOS 的发展使 2 美元的无线电可行,但那是ZigBee类型的 802.15.4 无线电,而不是能使用手机网络的无线电。而且,如果想要在Internet上使用无线设备,必须购买足够容纳TCP/IP 堆栈的处理器,还要提供一种分配与路由IP 地址的方法。厂商们也很关心如何延长电池寿命。无线设备在网状网络中将数据从终端设备传送到网状网络的周边。该功能会影响更靠近网状网络中心设备的电池寿命。另外,特殊的网络必须要使用大量的资源来确定及集成新的设备到网络中。如果设备不能在已有的网状网络路径中路由,必须要进行协调并建立一个新的路径。这些工作用尽了电池资源。虽然情况不妙,但电池使用不需要在整个网络内保
持一致,即某些设备需要比其它设备更快地更换电池。或者用户会放弃部分放电的电池,因为系统维护过程会决定,按最严重的设备电池消耗在定期的间隔内更换网状网络中所有的电池。

  而且ZigBee 网络设备在全球频段的2.4GHz上工作,能以240kbps的速率发送数据,那些使用915MHz 的美国ISM频段速率为40kbps,使用868MHz的欧洲ISM频段速率只达到20kbps。因此,尽管你想要将设备移出拥挤的2.4GHz频段来工作,但较慢的数据速率会以更短的电池寿命使你花费更大。

  手机无线网络会给你“无处不在”的连接,但不能提供“永远实时连接”。一个可靠的连接也许会使用专有网络和频率,这意味着就不能依靠低成本的 ZigBee设计协议。智能的自身修复设备构成了也许不是最昂贵的特殊网络。干扰、网络拓扑与设备协议等因素都会对电池寿命有不良影响。

  不利之处

  扩频技术并不能带来无限可用的带宽。这些技术让发射机共享带宽,但每增加一个发射机都会降低其它发射机的数据速率和传输范围。如果所有的发射机使用相同的协议,则对两者都会有影响。2.4GHz ISM 频段提供了干扰如何使所有的设备在此频段上无法工作的例子(参考文献4)。未经批准的 ISM 频段在设计上就包括了干扰源。这些未批准的2.4GHz 频段的开发人员进行这种设计,是因为微波炉磁控管在此频率上工作。这些微波炉对无线干扰会有较小但值得重视的影响。更麻烦的是,传导热量和融化的硫灯在此频段中提供了更多与通信无关的干扰。这些干扰源很受关注,允许使用的2.4GHz 频段有很多,由于FCC(美国联邦通信委员会)和其它管理机构允许多协议,使在某些领域的连接并不可靠。这些协议包括蓝牙协议采用的FHSS(跳频扩频技术)。女影星兼通信技术发明人Hedy Lamarr 在饰演钢琴师时发明了跳频无线电技术(图5 和参考文献 5)。在二战期间,她认为秘密电台通信能在战争中起重大作用。她觉得接收机可以像发射机一样跳到不同的频率,正如所饰演钢琴师弹琴键一样她的手指可跳到不同的琴键。这种认识实现了电台间可互相通信,并能防止窃听。

图5女影星HedyLamarr在1942年发明并申请专利的跳频扩频无线电概念


  蓝牙协议将83 MHz 宽的2.4GHz ISM 频段分成79个1MHz 的片段。蓝牙设备可在32个频率间以最大1600 次跳/秒的速率跳跃。两个并列的蓝牙设备互相干扰的机会只有1/79了。当这种情况出现时,高级协议要求系统重新发送丢失的数据包。如果蓝牙设备跳到ZigBee 或Wi-Fi LAN的频率中,也会干扰这些设备。

  客户无法满足的带宽需要促成了能提供11Mbps 速度的802.11b 标准。这些系统使用DSSS 技术,其中无线电使用83MHz 的22MHz 到2.4GHz ISM 频段。PRBS(伪随机二进制序列)相位在该频段中调制频率。与FHSS不同,DSSS 继续转变而不是在离散的频率上跳跃。 手机实施DSSS 允许多个发射机在相同的频段工作。可惜,Wi-Fi LAN使用的11 位Barker 代码提供了不充足的代码增益以允许CDMA(码分多址),尽管高级协议实施了CSMA(载波侦听多路访问)。发射机检测其它发射机等待的时间,直到信道寂静后,才能开始传输。802.11b的带宽分别只允许三个到四个设备在那些受FCC 和欧洲标准约束的国家中同时运行。如果有最大数量的设备在工作,就会出现对蓝牙、WirelessUSB、无绳电话和ZigBee 的干扰。

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