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比较低功耗无线澳门美高梅娱乐城

编者按:这个由三部分组成的系列的第1部分将详细介绍设计人员可用的主要低功耗无线选项。第2部分将考虑每种澳门美高梅娱乐城的设计基础,如芯片可用性,协议栈,应用软件,设计工具,天线要求以及功耗/电池寿命。该系列的第3部分考虑了当前和未来的发展,旨在应对每种澳门美高梅娱乐城的物联网挑战。它还将介绍一些更新的接口和协议,如Wi-Fi HaLow和Thread。
近来的发展在很大程度上集中在物联网(IoT)连接性,即传感器收集和传递信号和数据。终端澳门美高梅娱乐在线的例子各不相同,从智能手机,健康和健身可穿戴设备(图1),家庭自动化智能电表工业控制。都具有超低功耗,低成本和小尺寸的设计限制。
该功能将讨论和对比主要的低功耗无线选项。它将讨论每种澳门美高梅娱乐城的基本原理及其关键操作属性,如频段,网络拓扑支持,吞吐量,范围和共存。样本解决方案将包括在内。
北欧半导体可穿戴的图像
图1:可穿戴设备是低功耗无线澳门美高梅娱乐城的关键市场部门。(图片来源:北欧半导体

低功耗的权衡

当涉及到低功耗无线澳门美高梅娱乐城,包括蓝牙低功耗,ANT,ZigBee,RF4CE,NFC,Nike +和Wi-Fi等基于射频的澳门美高梅娱乐城以及红外数据协会倡导的红外选项时,工程师现在有很多选择(IRDA)。
但是这种广泛的选择使得选择过程更加困难。每种澳门美高梅娱乐城都在功耗,带宽和范围之间进行权衡。有些是基于开放标准,而另一些则是专有的。更为复杂的是,新的无线接口和协议不断涌现,以满足物联网的需求。其中之一就是蓝牙低功耗。

蓝牙低功耗介绍

蓝牙低耗能作为诺基亚研究中心的一个名为Wibree的项目开始了生命。2007年,该澳门美高梅娱乐城被蓝牙澳门美高梅娱乐城联盟(SIG)采纳,该澳门美高梅娱乐城在2010年推出4.0版(v4.0)时引入了蓝牙澳门美高梅娱乐城的超低功耗形式。
该澳门美高梅娱乐城将蓝牙生态系统扩展到电池容量小的应用,如可穿戴设备。在目标应用中具有微安平均电流,它补充了在智能手机,音频耳机和无线台式机中流行的“经典”蓝牙。
该澳门美高梅娱乐城工作在2.4 GHz工业,科学和医疗(ISM)频段,适用于从完整异步通信可以使用的紧凑型无线传感器或其他外设传输数据。这些设备很少发送少量的数据(即几个字节)。他们的工作周期范围从每秒几次到每分钟一次或更长。
从蓝牙v4.0开始,蓝牙核心规范定义了两种类型的芯片:蓝牙低功耗芯片和具有修改堆栈的蓝牙芯片以及基本速率(BR)/增强数据速率(EDR)物理层(PHY)以前的版本与低能量(LE)PHY(“BR / EDR + LE”)相结合,使得它可以与标准的所有版本和芯片版本互操作。蓝牙低功耗芯片可以与其他蓝牙低功耗芯片以及符合蓝牙v4.0或更高版本的蓝牙芯片进行互操作。
在许多消费应用中,蓝牙低功耗芯片与蓝牙芯片一起运行,但是由于版本4.1,4.2和5中引入的标准增强,蓝牙低功耗芯片越来越多地被用作独立设备。
最近推出的蓝牙5规范已经将蓝牙低功耗的原始数据速率从1 Mb / s提高到了2 Mb / s,与前一版本相比,范围提高了4倍。请注意,最大吞吐量和范围不能同时实现,这是一个经典的权衡。蓝牙澳门美高梅娱乐城联盟最近也采用了蓝牙网络1.0,该澳门美高梅娱乐城允许将该澳门美高梅娱乐城配置为网状网络拓扑结构,本系列的第3部分将对此进行更详细的介绍。
有关蓝牙低功耗的综合概述,请参阅“ 蓝牙4.1,4.2和5兼容的蓝牙低功耗SoC和工具满足IoT挑战(第1部分) ”。

什么是ANT?

ANT与蓝牙低功耗相当,因为它是一种超低功耗无线协议,在2.4 GHz ISM频段工作。像蓝牙低功耗,它被设计用于硬币电池供电的传感器,具有数月或数年的电池寿命。该协议是在2004年由加拿大Garmin公司的加拿大公司Dynastream Innovations发布的。Dynastream Innovations不生产芯片,相反,设计人员可以在Nordic Semiconductor,nRF51422 SoC和德州仪器TI)等公司的2.4 GHz收发器上获得固件。不过,它也提供一系列经过充分测试和验证的射频模块 运行ANT协议,需要很少的设计集成工作,并且已经通过了监管认证。
虽然ANT是一种专有的RF协议,但是通过ANT +管理网络可以提高互操作性。ANT +有助于ANT + Alliance成员设备之间的互操作性以及传感器数据的收集,自动传输和跟踪。设备配置文件确保互操作性; 任何实现特定设备简档的ANT +设备都可与实现相同设备简档的任何其他ANT +设备互操作。新澳门美高梅娱乐在线必须通过ANT +认证测试才能实现互操作性。认证由ANT +联盟管理。
ANT和ANT +最初是针对体育和健身领域的,但最近该澳门美高梅娱乐在线已被用于家庭和工业自动化领域。该协议正在不断发展,最近宣布的是ANT BLAZE,这是一种针对高节点数物联网应用的企业目标网状澳门美高梅娱乐城。(见第3部分)

那ZigBee呢?

ZigBee是一种低功耗无线规范,使用基于IEEE 802.15.4的PHY和媒体访问控制(MAC)。最重要的是,它运行一个由ZigBee联盟控制的协议。该澳门美高梅娱乐城专为工业和家庭自动化领域的网状网络(使其在某些竞争澳门美高梅娱乐城方面领先)而设计。
ZigBee工作在2.4 GHz ISM频段,中国的784 MHz,欧洲的868 MHz,美国和澳大利亚的915 MHz。数据速率从20 Kbits / s(868 MHz频带)到250 Kbits / s(2.4 GHz频带)。ZigBee使用16 MHz 2 MHz信道,相隔5 MHz,因此由于未使用的分配而导致频谱效率低下。
ZigBee PRO于2007年发布,提供了强大的部署所需的附加功能,包括增强的安全性。ZigBee联盟刚刚宣布推出ZigBee PRO 2017,这是一款能够同时在2.4 GHz和800 - 900 MHz ISM频段上运行的网状网络。(请参阅本系列的第3部分以获取更多信息。)

RF4CE打勾了所有的框?

消费类电子澳门美高梅娱乐在线的射频(RF4CE)基于ZigBee,但具有针对RF遥控要求而定制的协议。索尼,飞利浦,松下和三星等四家消费电子公司对RF4CE进行了标准化。该澳门美高梅娱乐城得到了MicrochipSilicon Labs和德州仪器等几家芯片供应商的支持。RF4CE的预期用途是作为设备远程控制系统,例如用于电视机顶盒。该澳门美高梅娱乐城使用RF来克服红外(IR)遥控器的互操作性,视线和有限的功能缺陷。
最近,RF4CE面临遥控应用的蓝牙低功耗和ZigBee的激烈竞争。

Wi-Fi如何比较?

基于IEEE 802.11的Wi-Fi是非常高效的无线澳门美高梅娱乐城,然而,它是针对使用高速吞吐量的大数据传输进行优化的,而不是低功耗的。因此,Wi-Fi不适合低功耗(纽扣电池)操作。近年来,包括诸如IEEE标准802.11v(指定连接到无线网络时的客户端设备的配置)的修改已经在改善功耗方面作出改进。
IEEE 802.11ah(Wi-Fi“HaLow”)于2017年发布,运行在90 MHz ISM频段,与2.4 GHz和5 GHz频段的Wi-Fi版本相比,能耗更低,扩展范围更广。(见第3部分)

NIKE +是一个选择吗?

Nike +是运动服装制造商耐克公司开发的专有无线澳门美高梅娱乐城,专门针对健身市场。它主要设计用于将集成2.4 GHz无线电芯片的Nike“脚架”与分析并呈现收集数据的Apple移动设备连接起来。虽然仍然受到一群健身爱好者的青睐,但由于新一代智能手机采用了相同的澳门美高梅娱乐城,所以硬件正在衰落。耐克已经放弃了其无线健身频道澳门美高梅娱乐在线,专注于智能手机软件应用。
Nike +系统所基于的专有无线澳门美高梅娱乐城仍在使用于无线鼠标和键盘等澳门美高梅娱乐在线。如果不需要互操作性,像北欧半导体公司的nRF24LE1这样的类似澳门美高梅娱乐城的确可以提供与诸如蓝牙低功耗等澳门美高梅娱乐城相媲美的性能,而无需满足标准的要求。

IrDA是不是已经解决了短距离通讯问题?

红外数据协会(IrDA)由大约50家公司组成,并已经发布了多个红外通信协议(IrDA)。IrDA不是基于RF的澳门美高梅娱乐城,而是采用调制的IR光脉冲来传输信息。该澳门美高梅娱乐城的主要优势在于内置安全性,因为它不是RF,非常低的误码率(BER)(提高效率),不需要合规认证,而且成本低。该澳门美高梅娱乐城还提供高速版本,提供1 Gb / s的传输速率。
IR澳门美高梅娱乐城的缺点是有限的范围(特别是对于高速版本),其“视线”要求以及在标准实现中缺乏双向通信。与无线电澳门美高梅娱乐城相比,IrDA也不是特别的功率效率(就每比特的功率而言)。对于成本是关键设计参数的基本远程控制应用,IrDA保留了市场份额,但是当要求增强的控制功能(如智能电视所需的控制功能)时,设计人员通常会指定蓝牙低功耗和RF4CE。

NFC适合哪里?

近场通信(NFC)在13.56MHz的ISM频带中工作。在这个低频下,发射和接收环路天线主要分别作为变压器的初级和次级绕组。数据传输是通过磁场,而不是伴随的电场,因为后者在短距离内占主导地位。NFC以高达424 Kbits / s的速率传输数据。顾名思义,它被设计用于非常短距离的通讯,最大可达10厘米。这种限制防止了与蓝牙低功耗,ZigBee,Wi-Fi和类似澳门美高梅娱乐城的直接竞争。NXP USA等制造商提供诸如CLRC66303 NFC收发器之类的芯片。
一个关键的优势是“被动”NFC设备(例如支付卡)不需要电力,只有在有源NFC设备的近距离范围内才会变得活跃。NFC已经被广泛接受,用于非接触式支付澳门美高梅娱乐城以及其他无线澳门美高梅娱乐城(例如蓝牙低功耗设备)的配对,而不存在“中间人”安全攻击的危险。NFC可能会获得良好的市场份额作为补充其他无线澳门美高梅娱乐城在这里讨论的利基应用澳门美高梅娱乐城。

网络拓扑

低功耗无线澳门美高梅娱乐城最多支持五种主要的网络拓扑结构:
广播:从发射机向范围内的任何接收机发送消息。该通道是单向的,没有确认收到该消息。
点对点:两个收发器在双向通道上链接,从而可以确认消息并且可以同时传输数据。
明星:中央收发器通过双向通道与多个外设收发器进行通信。外设收发器不能直接相互通信。
扫描:中央扫描设备保持接收模式,等待从范围内的任何发送设备接收信号。沟通是一个方向。
网格:通过连接多个节点的双向信道(通常使用具有附加功能的节点服务,例如集线器和中继器),可以将消息从网络中的一点中继到任何其他点。
图2a,b,c,d和e示出了网络拓扑,表1总结了上面讨论的每种无线澳门美高梅娱乐城支持的拓扑。
德州仪器(TI)低功耗无线澳门美高梅娱乐城的示意图
图2:低功耗无线澳门美高梅娱乐城已经发展到支持越来越复杂的网络拓扑。(图片来源:德州仪器)
拓扑 一个 A + RF 无线 NF
广播 * * 1 * 1            
点对点 * * * * * * * * *
* * * * * *      
扫描 * * 2 * * *   *    
网孔 * * * * *        
(蓝牙低功耗),A(ANT),A +(ANT +),Zi(ZigBee),RF(RF4CE),
Wi(Wi-Fi),Ni(Nike +),Ir(IrDA)

  1. 连续接收模式必须激活节点收听广播信号。
  2. 所有网络流量停止,功耗很高。
表1:低功耗无线澳门美高梅娱乐城网络拓扑支持。(表来源:Digi-Key)

低功耗无线澳门美高梅娱乐城性能

范围
无线澳门美高梅娱乐城的范围通常被认为与发射机的功率输出成正比,与以分贝(“链路预算”)测量的接收机的RF灵敏度相结合。由于信噪比(SNR)的有效改善,更高的功率传输和更高的灵敏度增加了范围。SNR是接收机从环境噪声中正确地提取和解码信号的能力的量度。在阈值SNR下,BER超过无线电规范,通信失败。例如,蓝牙低功耗接收器被设计为容忍仅约0.1%的最大BER。
免许可证2.4 GHz ISM频段的最大功率输出受到监管机构的限制。通常,这些规则是复杂的,但是它们本质上规定,在跳频系统的小于75但至少15个跳频的天线输入端处测量的峰值发射功率必须被限制在+ 21dBm的峰值,如果各向同性天线增益大于6 dBi,则输出降低。这允许最大等效各向同性辐射功率(EIRP)为+27 dBm。
除此规定外,低功耗无线澳门美高梅娱乐城还包括对传输功率的规范限制,以最大限度延长电池寿命。通过限制无线电处于高功率发射或接收状态的时间来节省大部分功率,但射频芯片制造商通过将其最大蓝牙低功率发射功率限制为典型的+ 4dBm,并且偶尔具有+ 8dBm ,远低于法规规定的+ 21 dBm的限制。
然而,发射功率和灵敏度不是限制无线设备范围的唯一因素。运营环境(例如,天花板和墙壁的存在),射频载波的频率,设计布局,机制和编码方案都在起作用。范围通常用于“理想”环境,但设备通常用于严重受损的情况。例如,2.4GHz信号被人体严重衰减,因此手腕上的穿戴式可穿戴设备可能难以传输到携带在后袋中的智能手机,即使它们可能相距仅仅一米左右。
此列表显示了在无障碍环境中超低功耗澳门美高梅娱乐城所能达到的典型范围,不受其他RF或光源的干扰:
  • NFC:10厘米
  • 高速IrDA:10厘米
  • Nike +:10米
  • ANT(+):30米
  • 5 GHz Wi-Fi:50米
  • ZigBee / RF4CE:100米
  • 蓝牙低能量:100米
  • 2.4 GHz Wi-Fi:150米
  • 使用蓝牙5的蓝牙低能量扩展范围能力:200至400米(取决于前向纠错编码方案)
吞吐量
低功耗无线澳门美高梅娱乐城的传输包括两部分:实现协议的比特(例如,数据包ID和长度,信道和校验和,统称为“开销”)和正在传输的信息(称为“有效载荷“)。有效载荷/开销+有效载荷的比率决定了协议效率(图3)。
低功耗无线澳门美高梅娱乐城数据包示意图

图3:低功耗无线澳门美高梅娱乐城数据包(此处显示的蓝牙低功耗/蓝牙4.1)包含开销和有效负载。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(开销加有效负载)是每秒传输的比特数的度量,并且通常是市场营销材料中引用的数字。有效载荷数据速率将一直较低。(本系列的第2部分将仔细研究每个协议的效率及其对电池寿命的影响。)
低功耗无线澳门美高梅娱乐城通常需要在传感器节点和中央设备之间定期传送少量的传感器信息,同时最大限度地降低功耗,因此带宽通常是适中的。
以下列表比较本文中讨论的澳门美高梅娱乐城的原始数据和有效负载吞吐量。(请注意,这些是理论最大值,实际吞吐量取决于配置和操作条件):
  • Nike +:2 Mbits / s,272位/秒(吞吐量受设计限制为每秒一个数据包)
  • ANT +:20千比特/秒(在突发模式 - 见下文),10千比特/秒
  • NFC:424千比特/秒,106千比特/秒
  • ZigBee - 250 Kbits / s(2.4 GHz),200 Kbits / s
  • RF4CE(与ZigBee相同)
  • 蓝牙低能量 - 1 Mbit / s,305 Kbits / s
  • 高速IrDA - 原始数据1 Gbit / s,有效负载500 Kbits / s
  • 蓝牙低功耗蓝牙5高吞吐量:2 Mbits / s,1.4 Mbits / s
  • Wi-Fi:11 Mbits / s(最低功耗802.11b模式),6 Mbits / s
潜伏
无线系统的等待时间可以被定义为发送和接收信号之间的时间。通常只有毫秒的时间,这对于无线应用来说是一个重要的考虑因素。例如,低延迟对于应用程序自动轮询传感器数据可能每秒一次并不那么重要,但是对于像遥控器这样的消费者应用程序而言,对于用户期望在按下按钮和随后的动作之间不可察觉的延迟,这一点非常重要。
以下列表比较了本文中讨论的澳门美高梅娱乐城的延迟。(请注意,这些依赖于配置和操作条件。)
  • ANT:可以忽略不计
  • Wi-Fi:1.5毫秒(ms)
  • 蓝牙低功耗:2.5毫秒
  • ZigBee:20毫秒
  • IrDA:25毫秒
  • NFC:通常每秒轮询一次(但可以由澳门美高梅娱乐在线制造商指定)
  • Nike +:1秒
请注意,ANT和Wi-Fi引用的低延迟要求接收设备连续监听,这会迅速消耗电池电量。对于低功耗传感器应用,可以通过增加ANT消息传递期来提高电池消耗,但代价是延迟增加。
健壮和共存
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,如果数据包由于传输环境欠佳,来自附近无线电的意外干扰或故意的频率干扰而无法传送,则发送器将继续尝试,直到数据包成功传送。这是以电池寿命为代价的。而且,如果无线系统限于单个传输信道,则在拥挤的环境中其可靠性将不可避免地恶化。
无线电在其他无线电存在下运行的能力被描述为共存。当收音机在相同的设备上运行时,如智能手机中的蓝牙低功耗和Wi-Fi,几乎没有分离,这是特别有趣的。实现蓝牙与Wi-Fi共存的一种标准方法是使用带外信令方案,该方案由每个IC之间的有线连接组成,在每个IC可以自由发送或接收时进行协调。在本文中,被动共存是指干扰避免系统,主动共存是指芯片到芯片的信令。
协助被动共存的经证明的方法是跳频。蓝牙低功耗使用跳频扩频(FHSS),在其37个数据信道之间以伪随机模式跳频,以避免干扰。蓝牙低能量的所谓的自适应跳频(AFH)使每个节点能够映射频繁拥塞的信道,然后在未来的交易中避免这些信道。该规范的最新版本(蓝牙5)引入了改进的信道排序算法(CSA#2),以提高下一跳信道排序的伪随机性,从而提高抗干扰能力。
ANT支持使用多个射频工作频率,每个1 MHz宽。一旦选定,所有的通信都是在单一频率上进行的,只有在选定的频率出现明显的衰减时才会发生信道跳变。
为了减轻拥塞,ANT使用时域多址(TDMA)自适应同步方案将每个1 MHz频段细分为大约7 ms的时隙。信道上的配对设备在这些时隙期间进行通信,这些时隙根据ANT消息传送时段(例如,每250ms或4Hz)重复。在实际使用中,几十甚至几百个节点可以容纳在单个1MHz频带中而不会发生冲突。当数据完整性至关重要时,ANT可以使用“突发”消息传送澳门美高梅娱乐城; 这是一种使用全部可用带宽的多消息传输澳门美高梅娱乐城,并运行到完整的数据传输完成。
一些可用的ANT RF信道由ANT + Alliance分配和管理,以维持网络完整性和互操作性,例如2.450和2.457 GHz。联盟建议在正常操作期间避开这些渠道。
与蓝牙低功耗FHSS澳门美高梅娱乐城和ANT的TDMA方案相比,ZigBee(和RF4CE)采用直接序列扩频(DSSS)方法。在DSSS期间,信号在发射机处与伪随机码混合,然后在接收机处被提取。该澳门美高梅娱乐城通过在宽带上扩展发射信号来有效地提高信噪比(图4)。ZigBee PRO实现了一种称为频率捷变的附加澳门美高梅娱乐城,即网络节点扫描清晰的频谱,并建议协调器使信道可以在整个网络中使用。但是,这个功能在实际中很少部署。
德州仪器从其他2.4 GHz无线电干扰的图像
图4:ZigBee试图通过在所分配的频谱上传播传输信号来减轻来自其他2.4 GHz无线电设备的干扰。(图片来源:德州仪器)
Wi-Fi在美国使用11个20MHz频道,在全球大部分地区使用13个频道,在日本则使用14个频道。因此,在2.45GHz频谱分配的83MHz宽度的范围内,只有三个不重叠的Wi-Fi信道(1,6和11)有足够的空间。因此这些被用作默认频道。没有自动信道跳频,但是如果干扰在运行中证明有问题,用户可以手动切换到另一个信道。
在选定的频道内,Wi-Fi的干扰避免机制非常复杂,但实质上是将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,因此距离较近的相互干扰的可能性大大减轻。
5 GHz Wi-Fi在725 MHz宽的分配范围内工作,允许分配更多不重叠的信道。与2.4 GHz Wi-Fi相比,其结果是显着减少了干扰问题。
Wi-Fi还采用主动共存澳门美高梅娱乐城,并在其他无线电检测到干扰时降低数据速率。
这就是无线网络的普遍性。其他2.4 GHz澳门美高梅娱乐城包括避免与默认Wi-Fi频道(1,6和11)冲突的澳门美高梅娱乐城。例如,蓝牙低功耗的三个广告频道位于默认的Wi-Fi频道之间(图5)。
蓝牙低功耗的广告渠道的形象
图5:蓝牙低功耗广告渠道远离Wi-Fi默认渠道。请注意,还有另外七个通道可以清除潜在的Wi-Fi干扰。(图片来源:北欧半导体)
Nike +采用专有的频率敏捷方案,在干扰变得破坏时翻转频道。由于澳门美高梅娱乐城的最小数据传输速率和占空比,这是很少需要的。
IrDA没有实现任何形式的共存澳门美高梅娱乐城。但是,作为一种基于光的澳门美高梅娱乐城,它只会受到具有显着IR分量的非常明亮的背景光的影响。短程和视线操作使得即使是同时工作的红外设备也不太可能互相干扰。
NFC实现了一种共存的形式,由此读者从包含多个NFC卡的钱包中选择特定卡的NFC标签。由于传输范围较小,其他NFC设备和/或其他无线电之间的干扰很少。但值得注意的是,13.56 MHz频段在调频(FM)频段中具有81.3和94.9 MHz特别强的谐波。这些谐波可能会导致共置FM接收机中的咔嗒声。通过实施防碰撞澳门美高梅娱乐城,例如“歪斜”或清理,可以降低FM干扰效应。

结论

有许多流行的低功耗无线澳门美高梅娱乐城。虽然每个都是为了电池操作而设计的,而且数据传输相对适中,但它们具有不同的范围,吞吐量,稳健性和共存能力。这些性能变化适合不同的应用 - 虽然有很大程度的重叠。
第2和第3部分介绍:性能仅仅是选择过程的一部分,所以第2部分将更加关注每项澳门美高梅娱乐城的设计基础,如芯片可用性,协议栈,应用软件,设计工具,天线要求和功耗。
第3部分将考虑当前和未来的发展,旨在应对每项澳门美高梅娱乐城的物联网挑战,并介绍一些新的接口和协议,如Wi-Fi HaLow和Thread。

(责任编辑:ioter)

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