越來越多的高性價(jià)比的無線技術(shù)和可應(yīng)用于更廣領(lǐng)域的解決方案的出現(xiàn)，帶來了無線傳感網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的激增。無線系統(tǒng)制造商的目標(biāo)就是提供更加靈活可靠的方案，在獲得最長的電池壽命的同時(shí)盡可能擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)的傳輸距離。很多傳感器網(wǎng)絡(luò)都是由一些簡單的節(jié)點(diǎn)組成，這些節(jié)點(diǎn)收集數(shù)據(jù)并將之發(fā)送給集中器?；趥鹘y(tǒng)的方案，為改善性能需要折衷權(quán)衡考慮，而相比較而言，用于改善未來系統(tǒng)性能的新技術(shù)則在折衷考慮方面會有很大的不同。

傳輸速率和距離

傳輸速率是系統(tǒng)設(shè)計(jì)中一個(gè)關(guān)鍵的可變因素，它將決定整個(gè)系統(tǒng)整體性能的很多屬性。無線傳輸距離由接收機(jī)靈敏度和發(fā)射機(jī)輸出功率共同決定，兩者之間的差值我們稱之為鏈路預(yù)算。輸出功率受限于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，所以只有通過提高靈敏度來增加距離，而靈敏度又受數(shù)據(jù)速率非常重要的影響。對所有的調(diào)制方式來說，越低的速率，接收機(jī)的帶寬越窄，接收靈敏度就越高。在現(xiàn)今高性價(jià)比無線收發(fā)機(jī)中應(yīng)用最廣泛的調(diào)制方式是FSK或者GFSK。要進(jìn)一步減小FSK系統(tǒng)的接收機(jī)帶寬，唯一可行的辦法就是提高參考晶體的精確度。雖未經(jīng)檢驗(yàn)過但可以預(yù)見，這很容易就會產(chǎn)生比接收機(jī)帶寬更寬的頻率偏差。低成本的晶體一般只有20ppm的精度，這將限制使用載波頻率為868MHz或915MHz系統(tǒng)的最大數(shù)據(jù)傳輸速率在20kbps，靈敏度在-112dBm。使用溫補(bǔ)晶振可以獲得更高的靈敏度，但是溫補(bǔ)晶振的價(jià)錢將是普通晶體的三倍。

擴(kuò)頻調(diào)制方式在其他領(lǐng)域應(yīng)用了很多年，但直到至今仍未使用于低成本的傳感網(wǎng)絡(luò)方案。在等同的數(shù)據(jù)速率條件下，商用的低成本擴(kuò)頻調(diào)制方式可以獲得比傳統(tǒng)FSK調(diào)制方式高8-10dB的靈敏度。升特(Semtech)公司將推出一款新的收發(fā)機(jī)，這款收發(fā)機(jī)集成了一種名為LoRa的擴(kuò)頻調(diào)制方式和傳統(tǒng)的GFSK調(diào)制方式。圖1展示了在GFSK調(diào)制和LoRa擴(kuò)頻調(diào)制兩種系統(tǒng)中靈敏度相對數(shù)據(jù)速率的關(guān)系曲線。

圖1：在GFSK調(diào)制和LoRa擴(kuò)頻調(diào)制兩種系統(tǒng)中靈敏度相對數(shù)據(jù)速率的關(guān)系曲線。

有些擴(kuò)頻調(diào)制方式對晶體引起的頻率偏差更不敏感，這類接收機(jī)在125kHz的帶寬下使用低成本的20ppm的晶體時(shí)獲得接近-140dBm的靈敏度。與FSK系統(tǒng)相比，使用同樣低成本的晶體時(shí)這種新的擴(kuò)頻方式在靈敏度上改善了30dB，理論上相當(dāng)于增加了5倍的傳輸距離。通過降低速率獲得最大傳輸距離和要求最長的電池壽命之間是相互沖突的。數(shù)據(jù)速率決定了空中傳輸時(shí)間，越高的傳輸速率，系統(tǒng)發(fā)射或接收將花費(fèi)越少的時(shí)間。100kbps的系統(tǒng)大約只需要50kbps的系統(tǒng)的傳輸時(shí)間的一半。更快的速率可以使更多的節(jié)點(diǎn)在無競爭沖突下在同一區(qū)域共存，但這將降低接收靈敏度和傳輸距離。每一種接收機(jī)都會提供多種工作和休眠的模式，且不同模式下的功耗是不同的。各節(jié)點(diǎn)收發(fā)占空比將決定哪些模式會對功耗產(chǎn)生最大的影響。例如，如果一個(gè)節(jié)點(diǎn)頻繁地處于接收狀態(tài)，那接收電流就非常重要。同理，如果一個(gè)節(jié)點(diǎn)每天只發(fā)射一次，那睡眠電流就是最重要的因素。

頻帶選擇

考慮到多種2.4GHz技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，包括藍(lán)牙、Wi-Fi和Zigbee，很多廠家認(rèn)為他們不得不使用一種標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議進(jìn)行設(shè)計(jì)，于是2.4GHz實(shí)際上就成了無線收發(fā)機(jī)工作頻率的一種選擇。在很多應(yīng)用上市場驅(qū)動廠商采取已有的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，這是事實(shí)。例如，Wi-Fi提供了通用的高速連接服務(wù)，而藍(lán)牙則為大容量消費(fèi)類市場比如移動電話和電腦外圍設(shè)備等提供了兼容的互連服務(wù)。盡管如此，很多應(yīng)用卻只需要相當(dāng)?shù)偷乃俾?，并且工作在一個(gè)封閉的無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中。在這些情況下，專有協(xié)議能顯著地降低系統(tǒng)成本，能最小化所使用處理器的資源，同時(shí)避免在規(guī)范兼容測試和logo授權(quán)上的花費(fèi)。有些市場已經(jīng)同時(shí)使用不同的無線協(xié)議來滿足系統(tǒng)要求。以自動抄表為例，使用sub-GHz實(shí)現(xiàn)回程數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)距離傳輸，而使用2.4GHz完成室內(nèi)短距離通信。家庭安防系統(tǒng)可以使用Sub-GHz傳輸?shù)退賯鞲袛?shù)據(jù)，同時(shí)使用2.4GHz進(jìn)行高速視頻傳輸。很多市場應(yīng)用當(dāng)涉及采用何種無線傳輸協(xié)議時(shí)仍懸而未決。例如，現(xiàn)有的家庭自動化系統(tǒng)使用Sub-GHz，但新出現(xiàn)的2.4GHz器件正在慢慢進(jìn)入該市場。是使用Sub-GHz還是2.4GHz，有很多需要權(quán)衡考慮的地方。2.4GHz的主要優(yōu)點(diǎn)就是它是世界通用頻段，并且可以使用很小尺寸的天線。2.4GHz天線尺寸相當(dāng)于900MHz天線尺寸的三分之一大小，并且因?yàn)樗{(lán)牙和Wi-Fi的大量應(yīng)用，2.4GHz系統(tǒng)能獲得更低的成本。2.4GHz系統(tǒng)的最主要缺點(diǎn)就是通信距離太短，這也限制了它在無線傳感網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用;它的空間損耗比900MHz要高大約9dB。另外，2.4GHz頻段已經(jīng)非常擁擠，會受到Wi-Fi，藍(lán)牙和微波爐等設(shè)備的嚴(yán)重干擾。圖2總結(jié)了2.4GHz和Sub-GHz兩種系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)。

新的基于擴(kuò)頻的調(diào)制技術(shù)將可能改變上圖中顯示的2.4GHz和Sub-GHz的特性對比。使用擴(kuò)頻技術(shù)可以抵消上述9dB的自由空間損耗，從而使2.4GHz的傳輸距離能與現(xiàn)今Sub-GHz的FSK系統(tǒng)相當(dāng)。由于這種調(diào)制方式的性能，擴(kuò)頻比普通的FSK或GFSK調(diào)制具有更好的抗干擾魯棒性。30dB的抗同頻干擾和顯著改善的選擇性/抗阻塞性使得2.4GHz系統(tǒng)能更可靠地工作。由于擴(kuò)頻系統(tǒng)使用的不同的擴(kuò)頻序列是相互正交的，這就意味著它們能在一個(gè)信道中同時(shí)傳輸。與現(xiàn)有的FSK系統(tǒng)相比，這個(gè)性能能顯著地改善網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)容量。

網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和協(xié)議

選擇星型網(wǎng)還是網(wǎng)狀網(wǎng)是影響整個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)性能優(yōu)劣的一個(gè)關(guān)鍵因素。星型網(wǎng)是具有最低延遲的最簡單的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，當(dāng)每個(gè)節(jié)點(diǎn)可以直接與集中器通信時(shí)，星型網(wǎng)是理所當(dāng)然的選擇。當(dāng)星型網(wǎng)使用簡單的協(xié)議時(shí)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的電池壽命是很容易估算的。當(dāng)星型網(wǎng)的距離無法滿足時(shí)，就需要增加節(jié)點(diǎn)作為中繼來擴(kuò)展距離，這就出現(xiàn)了網(wǎng)狀網(wǎng)。從節(jié)點(diǎn)到節(jié)點(diǎn)的跳轉(zhuǎn)時(shí)間增加了整個(gè)網(wǎng)狀網(wǎng)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，同時(shí)也增加了系統(tǒng)的延遲。在一個(gè)很龐大的系統(tǒng)中，需要的中繼數(shù)量難以預(yù)估，使得電池壽命的預(yù)測也變得不可靠。在節(jié)點(diǎn)之中選擇合適路由、自動識別、自我修復(fù)和保證無連接失敗的孤立節(jié)點(diǎn)是網(wǎng)狀網(wǎng)的主要挑戰(zhàn)，但市場上已經(jīng)有很多解決方案來克服這些難題。VE(Virtual Extension)【1】公司的同步洪泛方式克服了諸如節(jié)點(diǎn)安裝、建立和識別的難題，為大型或小型的網(wǎng)絡(luò)提供了一種簡易低功耗的網(wǎng)狀網(wǎng)解決方案。

一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中總的節(jié)點(diǎn)數(shù)同樣會影響電池的壽命。如果同時(shí)有成百上千的節(jié)點(diǎn)競相與集中器進(jìn)行連接，頻繁的通信將會導(dǎo)致嚴(yán)重的沖突和不斷地重新連接嘗試。不停的重新連接將會浪費(fèi)很多電能，使得電池壽命預(yù)測也非常困難。要建立一個(gè)很健康可靠的傳感網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)重要步驟就是評估競爭沖突問題。舉個(gè)例子，如果網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)每天只需要發(fā)送兩次，而每次都是幾個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，那么這成百上千個(gè)節(jié)點(diǎn)就可以交錯地分開與集中器連接，從而減少甚至避免了沖突。相反，如果每個(gè)節(jié)點(diǎn)經(jīng)常地要向集中器上傳一長串?dāng)?shù)據(jù)，在傳輸速率較低的情況下即使只有很少的節(jié)點(diǎn)也會產(chǎn)生大量的沖突。

遠(yuǎn)距離、共信道同步傳輸、共信道抑制的改善和高選擇性，這些擴(kuò)頻方式的優(yōu)點(diǎn)為傳感網(wǎng)絡(luò)提供了一種可供選擇的高性能的系統(tǒng)解決方案，而這是傳統(tǒng)FSK調(diào)制方式無法達(dá)到的。

在相同速率下擴(kuò)頻調(diào)制方式所具備的優(yōu)勢可以輕易地用于改善現(xiàn)有網(wǎng)狀網(wǎng)的性能，而星形網(wǎng)也會達(dá)到最優(yōu)的系統(tǒng)性能。利用星型網(wǎng)在郊區(qū)環(huán)境可以達(dá)到8-10km距離的情況下，我們不再需要很龐大的網(wǎng)狀網(wǎng)結(jié)構(gòu)來覆蓋這么寬的范圍。為了獲得較遠(yuǎn)的傳輸距離，需要降低傳輸速率，但是很少的節(jié)點(diǎn)需要用到最大的鏈路預(yù)算。圖3展示了一個(gè)大型網(wǎng)絡(luò)中集中器和節(jié)點(diǎn)之間的典型的鏈路預(yù)算分布趨勢。如果系統(tǒng)中每個(gè)節(jié)點(diǎn)都使用非常低的速率傳輸，將會導(dǎo)致沖突問題的發(fā)生從而限制整個(gè)網(wǎng)絡(luò)容量。所以靠近集中器的的節(jié)點(diǎn)可以使用更高的速率，以減小傳輸時(shí)間。

一個(gè)多通道、多調(diào)制解調(diào)方式的集中器可以適應(yīng)不同節(jié)點(diǎn)的不同速率和不同的功率，這樣就可以獲得最大的網(wǎng)絡(luò)容量和最長的電池壽命。使用不同的擴(kuò)頻因子就可以改變擴(kuò)頻系統(tǒng)的傳輸速率。可變的擴(kuò)頻因子提高了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)容量，因?yàn)椴捎貌煌瑪U(kuò)頻因子的信號可以在一個(gè)信道中共存。借助網(wǎng)絡(luò)仿真工具，我們可以很容易觀察到，與傳統(tǒng)采用固定速率的FSK系統(tǒng)相比，采用上述技術(shù)的星型網(wǎng)能容易地獲得很多優(yōu)勢，諸如95%的節(jié)點(diǎn)只占用10%的總能耗，同時(shí)整個(gè)系統(tǒng)的容量也將提高5-6倍。

結(jié)論

總的來說，傳輸速率、工作頻段和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是影響傳感網(wǎng)絡(luò)特性的三個(gè)主要參數(shù)。傳輸速率的選擇將決定系統(tǒng)的傳輸距離和電池壽命。工作頻段的選擇要折衷考慮頻段和系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)。而在FSK系統(tǒng)中網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的選擇是由傳輸距離要求和系統(tǒng)需要的節(jié)點(diǎn)數(shù)目來決定的。升特(Semtech)公司采用新的擴(kuò)頻技術(shù)的的高性價(jià)比收發(fā)機(jī)方案將會改變以往的折衷考慮方式，為用戶提供一種簡單的系統(tǒng)而又能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、長電池壽命并增加系統(tǒng)容量，進(jìn)而擴(kuò)展你的傳感網(wǎng)絡(luò)。