低功耗無(wú)線技術(shù)支持多達(dá)五種主要的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌?/p> ·   廣播： 從發(fā)射器將消息發(fā)送到覆蓋范圍內(nèi)的任何接收器。通道是單向的，不會(huì)確認(rèn)已收到消息。（見圖2a）
·   端對(duì)端： 兩個(gè)收發(fā)器通過(guò)雙向通道連接起來(lái)，可以借該通道確認(rèn)消息并雙向傳輸數(shù)據(jù)。（見圖2b）
·   星形： 中央收發(fā)器通過(guò)雙向通道與多個(gè)外圍收發(fā)器進(jìn)行通信。外圍收發(fā)器彼此間不能直接通信。（見圖2c）
·   掃描： 中央掃描設(shè)備保持接收模式，等待接收從覆蓋范圍內(nèi)任何發(fā)射設(shè)備發(fā)出的信號(hào)。通信是單向的。（見圖2d）
·   網(wǎng)狀： 可以跨越連接多個(gè)節(jié)點(diǎn)的雙向通道（通常使用具有集線器和中繼器等其他功能的節(jié)點(diǎn)服務(wù)）將消息從網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)點(diǎn)中轉(zhuǎn)到任何其他點(diǎn)。（見圖2e）

圖2顯示了這些網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌?中概述了上述每種無(wú)線技術(shù)所支持的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹?/p>

圖2：低功耗無(wú)線技術(shù)經(jīng)過(guò)發(fā)展，已經(jīng)可以支持越來(lái)越復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹＃▓D片來(lái)源：Texas Instruments）

表1： 低功耗無(wú)線技術(shù)支持的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹＃ū砀駚?lái)源：Digi-Key）

（注釋：1，必須為偵聽廣播信號(hào)的節(jié)點(diǎn)激活連續(xù)接收模式；2，所有網(wǎng)絡(luò)流量停止且功耗很高。）

四個(gè)關(guān)鍵性能

（1）范圍

通常認(rèn)為，無(wú)線技術(shù)的范圍與發(fā)射器的功率輸出和按分貝（“鏈路預(yù)算”）衡量的接收器射頻靈敏度相結(jié)合的結(jié)果成正比。功率傳輸和靈敏度的提高能夠有效改善信噪比(SNR)，因此可以擴(kuò)大覆蓋范圍。SNR可衡量接收器從環(huán)境噪聲中正確提取并解碼信號(hào)的能力。在閾值SNR下，BER會(huì)超過(guò)無(wú)線電的規(guī)格，導(dǎo)致通信失敗。例如，按照低功耗藍(lán)牙接收器的設(shè)計(jì)，其最大BER容差僅0.1%左右。

免牌照2.4GHz ISM頻段的最大功率輸出受到監(jiān)管機(jī)構(gòu)的限制。相關(guān)規(guī)定通常很復(fù)雜，但基本上是這樣規(guī)定的：跳頻頻率數(shù)少于75個(gè)但至少達(dá)到15個(gè)的跳頻系統(tǒng)，在其天線輸入處測(cè)量的峰值發(fā)射功率必須限定為+21dBm峰值；若全向天線增益大于6dBi，則輸出還須有所降低。這樣，最大等效全向輻射功率(EIRP) 就是+27dBm。

除了此規(guī)范外，低功耗無(wú)線技術(shù)還包括對(duì)傳輸功率的規(guī)范限制，旨在最大限度延長(zhǎng)電池壽命。限制無(wú)線電處于高功率發(fā)射或接收狀態(tài)的時(shí)間可節(jié)約大量電能，但射頻芯片制造者也可以通過(guò)將低功耗藍(lán)牙最大發(fā)射功率限定為+4dBm來(lái)節(jié)能（此為通常情況，有時(shí)也可限定為+8dBm，均遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于相關(guān)規(guī)范規(guī)定的+21dBm限值）。

不過(guò)，發(fā)射功率和靈敏度并非限制無(wú)線設(shè)備范圍的唯一因素。工作環(huán)境（例如是否存在天花板和墻壁）、射頻載波的頻率、設(shè)計(jì)布局、機(jī)械構(gòu)造和編碼方案都會(huì)對(duì)范圍產(chǎn)生影響。范圍通常是針對(duì)“理想”環(huán)境而言，但設(shè)備經(jīng)常會(huì)用于使其受到嚴(yán)重影響的環(huán)境。例如，2.4GHz信號(hào)遇到人體會(huì)嚴(yán)重衰減，因此戴在手腕上的可穿戴電子設(shè)備可能難以將信號(hào)發(fā)射到裝在背包里的智能手機(jī)上，哪怕它們之間可能僅僅相距一米左右。

此列表顯示了超低功耗技術(shù)在沒有其他射頻或光源干擾的暢通無(wú)阻環(huán)境中所能實(shí)現(xiàn)的典型范圍：

（2）吞吐量

通過(guò)低功耗無(wú)線技術(shù)進(jìn)行傳輸包括兩部分：實(shí)施協(xié)議的比特（例如數(shù)據(jù)包ID和長(zhǎng)度、通道和校驗(yàn)和，統(tǒng)稱為“開銷”）和傳遞的信息（稱為“有效載荷”）。有效載荷與開銷加有效載荷之和的比值決定了協(xié)議效率（圖3）。

圖3：低功耗無(wú)線技術(shù)數(shù)據(jù)包（此處顯示的是低功耗藍(lán)牙/藍(lán)牙4.1）包含開銷和有效載荷。協(xié)議效率由每個(gè)數(shù)據(jù)包中攜帶的有用數(shù)據(jù)量（有效載荷）決定。（圖片來(lái)源： 藍(lán)牙SIG）

“原始”數(shù)據(jù)速率（開銷加有效載荷）可衡量每秒傳輸?shù)奈粩?shù)，營(yíng)銷材料中通常會(huì)引用該數(shù)字。有效載荷數(shù)據(jù)速率總是比該數(shù)字低。（本系列專題文章的第2部分將詳細(xì)介紹每種協(xié)議的效率及其對(duì)電池壽命的后續(xù)影響）

低功耗無(wú)線技術(shù)通常需要在傳感器節(jié)點(diǎn)與中央設(shè)備之間定期傳輸少量傳感器信息，同時(shí)最大限度地降低功耗，因此帶寬通常是適中的。

以下列表對(duì)本文所述技術(shù)的原始數(shù)據(jù)和有效載荷吞吐量進(jìn)行了比較。（請(qǐng)注意，這些數(shù)據(jù)是理論最大值，實(shí)際吞吐量取決于配置和工作條件）：

（3）延時(shí)

無(wú)線系統(tǒng)的延時(shí)可定義為信號(hào)發(fā)射到接收之間的時(shí)間。雖然延時(shí)通常只有幾毫秒的時(shí)間，但它對(duì)于無(wú)線應(yīng)用來(lái)說(shuō)是一項(xiàng)重要考量因素。例如，低延時(shí)對(duì)于自動(dòng)向傳感器輪詢數(shù)據(jù)（可能每秒一次）的應(yīng)用來(lái)說(shuō)并不那么重要，但是對(duì)于像遙控這樣用戶期望在按下按鍵到后續(xù)操作之間察覺不出延時(shí)的消費(fèi)應(yīng)用而言，低延時(shí)可能會(huì)變得非常重要。

以下列表對(duì)本文所述技術(shù)的延時(shí)進(jìn)行了比較。（同樣請(qǐng)注意，這些值取決于配置和工作條件。）

請(qǐng)注意，ANT和Wi-Fi引用的低延時(shí)需要接收設(shè)備持續(xù)偵聽，這會(huì)快速消耗電池電量。對(duì)于低功耗傳感器應(yīng)用，可以通過(guò)延長(zhǎng)ANT消息傳送時(shí)段來(lái)改善電池消耗，但代價(jià)是延時(shí)會(huì)增加。

（4）穩(wěn)健性和共存

可靠的數(shù)據(jù)包傳輸對(duì)電池壽命和用戶體驗(yàn)有著直接的影響。一般來(lái)說(shuō)，如果數(shù)據(jù)包因傳輸環(huán)境欠佳、來(lái)自附近無(wú)線電的意外干擾或故意的頻率干擾而無(wú)法送達(dá)，發(fā)射器會(huì)一直嘗試，直到數(shù)據(jù)包成功送達(dá)。這種行為需要以犧牲電池壽命為代價(jià)。此外，如果無(wú)線系統(tǒng)限于單個(gè)傳輸通道，其可靠性在擁擠的環(huán)境中將不可避免地下降。

一種無(wú)線電在存在其他無(wú)線電的情況下工作的能力稱為共存。當(dāng)無(wú)線電幾乎沒有間隔地在同一臺(tái)設(shè)備中工作時(shí)（例如智能手機(jī)中的低功耗藍(lán)牙和Wi-Fi），這種情況會(huì)特別有趣。在藍(lán)牙與Wi-Fi之間實(shí)現(xiàn)共存的一種標(biāo)準(zhǔn)方法是使用帶外信號(hào)傳輸方案，該方案包括在每個(gè)集成電路（IC）之間建立有線連接，以便在每個(gè)IC可以自由發(fā)射或接收時(shí)進(jìn)行協(xié)調(diào)。在本文中，被動(dòng)共存是指干擾避免系統(tǒng)，主動(dòng)共存是指芯片之間的信號(hào)傳輸。

有一種經(jīng)過(guò)驗(yàn)證的方法可以幫助實(shí)現(xiàn)被動(dòng)共存，那就是信道跳頻。低功耗藍(lán)牙使用跳頻擴(kuò)頻（FHSS），在其37個(gè)數(shù)據(jù)通道之間以偽隨機(jī)模式跳頻，從而避免干擾。低功耗藍(lán)牙所謂的自適應(yīng)跳頻（AFH）使每個(gè)節(jié)點(diǎn)都能映射頻繁擁塞的通道，然后在未來(lái)的事務(wù)中避免這些通道。該規(guī)范的最新版本（藍(lán)牙5）引入了改進(jìn)的通道序列化算法（CSA #2），用于提高下一跳通道序列化的偽隨機(jī)性，從而提高抗干擾能力。

ANT支持使用多個(gè)射頻工作頻率（帶寬均為1 MHz）。一旦選定，所有通信都將在一個(gè)頻率上進(jìn)行，且只有在選定頻率出現(xiàn)明顯衰減時(shí)才會(huì)發(fā)生信道跳頻。

為了減輕擁塞，ANT使用時(shí)域多路存取（TDMA）自適應(yīng)同步方案，將每個(gè)1MHz頻段細(xì)分為大約7ms的時(shí)隙。這些時(shí)隙根據(jù)ANT消息傳送時(shí)段（例如，每250ms或4Hz）重復(fù)，通道上的配對(duì)設(shè)備就在這些時(shí)隙期間進(jìn)行通信。在實(shí)際應(yīng)用中，一個(gè)1MHz頻帶中可以容納數(shù)十個(gè)甚至數(shù)百個(gè)節(jié)點(diǎn)而不發(fā)生沖突。在數(shù)據(jù)完整性至關(guān)重要的情況下，ANT可以使用“猝發(fā)”消息傳送技術(shù)；這是一種多消息傳輸技術(shù)，使用全部可用帶寬并運(yùn)行至全部數(shù)據(jù)傳輸完成。

有些可用的ANT射頻通道（如2.450 GHz和2.457GHz）由ANT+ Alliance進(jìn)行分配和管理，用于維護(hù)網(wǎng)絡(luò)完整性和互操作性。該聯(lián)盟建議在正常工作期間避免使用這些通道。

與低功耗藍(lán)牙的FHSS技術(shù)和ANT的TDMA方案相比，ZigBee（和RF4CE）采用直接序列擴(kuò)頻(DSSS) 方法。DSSS期間，在發(fā)射器上將信號(hào)與偽隨機(jī)碼混合，然后在接收器上提取信號(hào)。該技術(shù)通過(guò)在寬帶上傳輸發(fā)射信號(hào)來(lái)有效提高信噪比（圖4）。ZigBee PRO實(shí)施了另一種稱為頻率捷變的技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)借此掃描清晰的頻譜并通知協(xié)調(diào)器，以便在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中使用該通道。不過(guò)，實(shí)際操作中鮮少部署此功能。

圖4：ZigBee 嘗試通過(guò)在所分配的頻譜上傳輸發(fā)射信號(hào)來(lái)減輕其他2.4 GHz 無(wú)線電的干擾。（圖片來(lái)源：Texas Instruments）

Wi-Fi在美國(guó)使用11個(gè)20 MHz通道，在全球其他大部分地區(qū)使用13個(gè)通道，在日本使用14個(gè)通道。因此，在2.45GHz頻譜分配的83MHz寬度范圍內(nèi)，僅可為三個(gè)非重疊的Wi-Fi 通道（1、6 和11）提供足夠的空間。這些通道也因此而被用作默認(rèn)通道。它們不含自動(dòng)信道跳頻功能，但是如果在工作中證明存在干擾問(wèn)題，用戶可以手動(dòng)切換到另一個(gè)通道。

在選定通道內(nèi)，Wi-Fi的干擾避免機(jī)制很復(fù)雜，但基本上是將DSSS與正交頻分復(fù)用 （OFDM）相結(jié)合。OFDM是一種使用許多具有低速率調(diào)制的近距離載波的傳輸形式。由于信號(hào)是正交傳輸?shù)模虼私嚯x相互干擾的可能性大大降低。

5GHz Wi-Fi在725 MHz寬度分配范圍內(nèi)工作，可以分配更多非重疊通道。因此，與2.4GHz Wi-Fi相比，顯著降低了發(fā)生干擾問(wèn)題的機(jī)會(huì)。

Wi-Fi還采用主動(dòng)共存技術(shù)，以及在檢測(cè)到來(lái)自其他無(wú)線電的干擾時(shí)降低數(shù)據(jù)速率的機(jī)制。

這就是無(wú)處不在的Wi-Fi。其他2.4GHz技術(shù)包括避免與默認(rèn)Wi-Fi通道（1、6 和11）沖突的技術(shù)。例如，低功耗藍(lán)牙的三個(gè)廣告通道位于默認(rèn)Wi-Fi通道之間的間隙中（圖5）。

圖5： 低功耗藍(lán)牙的廣播通道離Wi-Fi默認(rèn)通道較遠(yuǎn)。請(qǐng)注意，還有另外七個(gè)通道也可以擺脫潛在的Wi-Fi干擾。（圖片來(lái)源：Nordic Semiconductor）

Nike+采用專有的頻率捷變方案，在干擾變得具有破壞性時(shí)切換通道。由于該技術(shù)的最小數(shù)據(jù)傳輸速率和占空比，需要這樣做的情況極少。

IrDA沒有實(shí)施任何形式的共存技術(shù)。但是，作為一種光學(xué)技術(shù)，它只可能受到包含重要紅外元件的極亮背景燈影響。由于操作距離短且有瞄準(zhǔn)線要求，即便是同時(shí)工作的紅外設(shè)備也不太可能相互干擾。

NFC實(shí)施了某種形式的共存技術(shù)，讀取器借助該技術(shù)從包含多張NFC卡的錢包中選擇特定卡的NFC標(biāo)簽。由于傳輸距離短，其他NFC設(shè)備和/或其他無(wú)線電之間的干擾級(jí)為罕見。但值得注意的是，調(diào)頻（FM）頻段中的13.56MHz頻段具有諧波，并且在81.3MHz和94.9MHz頻段諧波尤為強(qiáng)烈。這些諧波有可能導(dǎo)致同地協(xié)作FM接收器中出現(xiàn)咔嗒噪聲。可以實(shí)施防沖突技術(shù)（例如，通過(guò)“偏移”或清理）來(lái)降低FM干擾效應(yīng)。

總結(jié)

目前有許多常用的低功耗無(wú)線技術(shù)。雖然每種技術(shù)都是針對(duì)電池供電工作及相對(duì)適度的數(shù)據(jù)傳輸而設(shè)計(jì)的，但它們具有不同的范圍、吞吐量、穩(wěn)健性和共存功能。這些不同性能適合不同的應(yīng)用，即使有很大程度的重疊。