sub-GHz无线系统的优势与部署方案分析

为了构建先进的无线系统，大多数开发人员最终将选择两种工业，科学和医疗（ISM）无线电频段选项--2.4 GHz或sub-GHz频率。将一个或另一个与系统的最高优先级配对将提供无线性能和经济性的最佳组合。这些优先级可包括：范围，功耗，数据速率，天线大小，互操作性（标准）和全球部署。但是，对于低数据速率应用，例如家庭安全/自动化和智能计量，sub-GHz无线系统具有多种优势，包括更长的范围，更低的功耗以及更低的部署和运营成本。

Sub-GHz无线电

Sub-GHz无线电可提供相对简单的无线解决方案，可单独使用电池供电长达20年。与2.4 GHz无线电相比的显着优势包括：

范围 - sub-GHz无线电的窄带操作可实现一公里或更长的传输范围。这允许sub-GHz节点直接与远端集线器通信，而无需在节点之间跳跃，这通常需要使用更短距离的2.4 GHz解决方案。在2.4 GHz以上的应用中，sub-GHz优越的性能有三个主要原因：

当无线电波穿过墙壁和其他障碍物时，信号会减弱。衰减率在较高频率下增加，因此2.4 GHz信号比sub-GHz信号衰减得更快。

2.4 GHz无线电波也比sub-GHz波更快地衰减，因为它们在密集表面上反射。在高度拥挤的环境中，2.4 GHz的传输会迅速减弱，从而对信号质量产生不利影响。

即使无线电波以直线传播，它们也会在达到稳固边缘时弯曲（如同建筑）。随着频率的降低，衍射角度增加，允许sub-GHz信号在障碍物周围进一步弯曲，从而减少阻塞效应。

Friis方程演示了sub-GHz无线电的优越传播特性，表明2.4 GHz时的路径损耗比900 MHz时高8.5 dB。

对于900 MHz无线电，这相当于2.67倍更长的范围，因为功率增加每增加6 dB，范围大约翻倍。为了匹配900 MHz无线电的范围，2.4 GHz解决方案需要大于8.5 dB的额外功率。

低干扰 - 航空公司充斥着来自各种来源的冲突2.4 GHz信号，例如家庭和办公室Wi- Fi集线器，支持蓝牙的计算机，手机外围设备和微波炉。这种2.4 GHz信号的交通堵塞造成了很多干扰。 Sub-GHz ISM频段主要用于专有的低占空比链路，并且不太可能相互干扰。更安静的频谱意味着更轻松的传输和更少的重试，更高效，节省电池电量。

低功耗 - 功率效率和系统范围都是接收器灵敏度加上传输频率的函数。灵敏度与信道带宽成反比，因此较窄的带宽可以产生更高的接收灵敏度，并允许在较低的传输速率下进行高效操作。

例如，在300 MHz时，如果发送器和接收器晶体误差（XTAL不准确）均为10 ppm（百万分之一），则每个误差为3 kHz。对于高效发送和接收的应用，最小信道带宽是误码率的两倍，即6 kHz，这是窄带应用的理想选择。 2.4 GHz的相同场景要求最小48 kHz的信道带宽，这会浪费窄带应用的带宽，并且需要更多的工作功率。

一般来说，所有无线电电路都运行在更高频率，包括低噪声放大器，功率放大器，混频器和合成器需要更多电流才能达到与低频相同的性能。

图1：随着无线电频率的降低，天线尺寸也会按比例增加。

范围，低干扰和低功耗是超过2.4 GHz应用的sub-GHz应用的基本优势。经常提到的缺点之一是天线比2.4GHz网络中使用的天线大。例如，433 MHz应用的最佳天线尺寸可达7英寸。但是，天线尺寸和频率成反比。如果节点尺寸是一个重要的设计考虑因素，开发人员可以提高频率（高达950 MHz），以便采用更小的天线。

2.4 GHz与sub-GHz应用趋势的关系

2.4 GHz和sub-GHz技术正在消费，工业和汽车市场中不断扩展。 2008年2.4 GHz TAM为1.72亿单位，而sub-GHz TAM几乎是该数字的三倍，为4.92亿。

图2说明了sub-GHz和2.4 GHz应用在特定应用中的主导地位。远程无钥匙进入（RKE）是一种常见的sub-GHz应用，其中相当长距离（100+米）的低数据速率传输和非常长的电池寿命是高优先级。远程车库门开启器（GDO）和轮胎压力监测系统（TPMS）也是如此。

有几个市场，例如玩具，医疗设备，安全系统和楼宇自动化，其中两个无线选项都在同一系统中使用。例如，在建筑安全性方面，需要2.4 GHz无线电来为高数据速率摄像机提供服务，而接近，压力和加速度传感器则使用sub-GHz协议进行联网。

图2：消费类，工业和汽车应用中的无线频率趋势。

范围，功耗，天线尺寸和数据速率不是无线应用的唯一设计考虑因素。还必须解决全球部署和软件堆栈大小和成本问题。

全球部署

全球合规性是许多无线应用的重要设计考虑因素。例如，在全球销售其产品的视频游戏制造商可以将2.4 GHz无线电用于其所有控制台，因为它是全球ISM分配。同样，使用433 MHz频段的无线应用共享全球sub-GHz ISM分配，日本是唯一的主要市场例外。

此外，915 MHz广泛用于北美和澳大利亚，868 MHz部署在整个欧洲，315 MHz可在北美，亚洲和日本使用。

标准与专有解决方案

许多用于无线PHY，MAC和堆栈层的标准解决方案可用于2.4 GHz和sub-GHz应用。 802.15.4（PHY/MAC），ZigBee，蓝牙，6LoWPAN，Wi-Fi和RF4CE是广泛使用的2.4 GHz解决方案。基于Sub-GHz标准的解决方案包括ZigBee（目前唯一提供868 MHz和900 MHz频段的2.4 GHz和sub-GHz版本的协议），EnOcean，io-homecontrol®，ONE-NET，INSTEON®和Z-Wave虽然标准解决方案提供独立于供应商的可互操作节点的优势，但它们通常会增加每个节点的成本和占用空间。

通过专用功能和小型软件堆栈，专有解决方案可以实现更小的芯片尺寸和更少的内存占用。更重要的是，不太复杂的堆栈简化了部署并降低了维护成本。因此，专有的sub-GHz解决方案可以提供最便宜的点对点本地化网络，例如车库门开启器或家庭自动化系统。

随着智能电网技术的出现，更广泛的远程sub-GHz网状网络（专有或基于标准）的机会正在飞速发展。

用于智能电网技术的Sub-GHz应用》智能电网技术是21世纪的电子设备，可增强20世纪能源电网基础设施的功能，实现家庭与企业及其公用事业公司之间的双向通信。 Sub-GHz通信在许多智能电网应用中具有明显的优势。例如，其较长的范围允许更多家庭和企业与更少的集线器通信，这节省了公用事业提供商的部署和维护成本。此外，电池供电的燃气表和水表可以在不更换电池的情况下运行数年。世界各地的智能能源应用正在进行重大标准化工作（802.15.4 G，无线MBUS等），其中sub-GHz是从仪表到公用事业的长距离通信链路的主要频段。

自动化计量系统 - 自动化电子仪表为公用事业提供商提供了更高的可靠性和准确性，易于校准，更高的安全性和先进的计费功能。

完整的系统可以利用远程，低成本的无线通信，实现智能电网所需的有效数据交换。

在图3中，自动计量系统支持四种智能仪表：

电表通过测量消耗的千瓦时和负载的功率因数，以及记录使用电的时间来支持多速率计量。

燃气表和水表使用正位移流量计，测量单位体积的流体或气体通过流量计的次数。低运行功率至关重要，因为这些仪表通常由电池供电。

图3：用于智能电网应用的自动计量系统。

热量表使公用事业公司能够根据所使用的BTU数或千瓦数向客户收费，这是通过测量通过系统的热水流量并记录其来计算的。输入和退出温度。这些仪表主要供工业客户使用。

这些仪表中的每一个都配备了一个sub-GHz无线电，可以快速，低成本地将数据传输到计量聚合器（或集线器），作为公用事业公司的网关。反过来，聚合器可以通过相同的sub-GHz网络从公用设施提供商返回到各个仪表。这样可以更有效地利用可用的水和能源，并为客户提供更准确的计费服务。

结论

Sub-GHz无线网络可以在任何低数据速率系统中提供极具成本效益的解决方案，与更大的网状网络的简单点对点连接，其中长距离，强大的无线电链路和延长的电池寿命是主要优先事项。更高的调节输出功率，更低的吸收，更少的光谱污染和窄带操作增加了传输范围。更高的电路效率，更好的信号传播和更小的存储器占用空间降低了整体功耗，这可能导致多年的电池供电运行。

Silicon Labs是混合信号RF集成的全球领导者。该公司的EZRadio和EZRadioPRO系列低功耗，低数据速率，低成本IC产品支持亚GHZ点对点，星形和网状网络以及复杂的，基于标准的网状网络应用。将这些无线电与Silicon Labs的混合信号MCU以及音频，电源和定时IC相结合，将为更高效，更经济的无线网络应用提供核心技术，用于消费和工业监控。