ZigBee无线电的性能和优势分析

ZigBee收发器在现代能源管理和楼宇自动化系统中是一种流行的，在某些情况下是不可或缺的元素（图1）。但是，并非所有ZigBee系统都是平等的，其性能和电池寿命的差异可能意味着您的产品成功或失败。功耗/性能优化设计需要仔细选择主机系统和无线电系统组件，但即使是最好的参考设计也需要工程师的触摸来针对特定应用对其进行微调。我们很快就会看到，设计问题，如无线电管理，天线分集，出站和入站数据的智能管理，以及对调整系统睡眠模式的仔细关注，都在设计一个强大，长寿命的能源管理设备中发挥作用。

图1：ZigBee无线技术强大的低功耗特性赢得了环境监测，能源管理，照明控制和楼宇自动化应用的广泛认可。

性能设计

尽管所有商用ZigBee收发器都符合标准的简单明确的空中接口，但系统的实际性能（即它与数据速率，范围和数据的匹配程度）对所谓的理想系统的干扰的抵抗力仍取决于设计者的技能。许多问题涉及无线电子系统，包括接收器灵敏度，发射功率，以及它应对大多数现实环境中的干扰，衰落和多径条件的能力。这些因素会影响系统的范围，数据速率以及丢弃的数据包或其他传输错误消耗的理论容量。丢失或乱码数据包的任何重新传输都会影响通信网络在延迟，功耗和增加的无线电活动方面的整体性能和效率，从而产生额外的信道干扰。

在群集树或网状网络等扩展网络中降低ZigBee功耗的最简单方法之一是使用协议的可选信标模式。在信标模式中，称为ZigBee路由器的特殊节点使用时隙协议与其他网络节点通信，其中路由器用顺序的“信标消息”向每个节点发信号，确认其存在，并且如果需要，启动数据交换。在信标模式下操作允许网络中的其他节点通过在信标之间休眠而仅在没有其他节点试图访问路由器的预定时间唤醒来节省其电池电量。信标间隔可根据应用的最小所需响应时间和所需数据速率进行调整，范围从低至15.36毫秒到长达786.432秒。 ZigBee信标模式可以显着降低数据包错误率，但可能不适合节点产生不频繁事件或不需要定期轮询的应用程序（如无线灯开关或窗口位置传感器）。此外，在具有长信标间隔的系统中使用的低占空比操作通常需要更精确的外部时钟或其他稳定的定时源，这可能增加BOM成本。

对于许多应用，使用标准的无时隙，载波侦听，多址/冲突避免信道访问机制（CSMA/CA - 也称为“先听后说”）来支持所谓的异构网络。在这种类型的网络中，ZigBee路由器的接收器持续保持活动状态，允许远程节点保持低功耗状态或完全无动力，直到发生需要网络注意的事件。无时隙网络依赖于CSMA（通话前监听）来最小化当两个节点同时尝试发送时发生的不可避免的更高的分组丢失。

无线和无时隙网络都可以使用收发器的接收器信号强度指示器（RSSI）来优化链路性能。当与分组错误统计一起使用时，RSSI可以用作确定接收器增益和发射器输出功率的最佳组合的机制，以提供最佳级别的分组丢失和功耗。德州仪器（TI）进行的测试表明，典型系统可以使用RSSI测量将其发射模式功耗降低10 mA，以将其RF输出从0 dBm调整为-12 dBm。片上MCU用于许多先进的ZigBee收发器，如TI的2.4 GHz ZigBee/IEEE 802.15.4 CC253系列和飞思卡尔的MC13224V集成2.4 GHz 802.15.4收发器，具有足够的处理能力和内存，可支持基于RSSI的功率优化算法（图2）。在使用“哑”收发器的应用中，算法可以在主机系统的处理器上运行。

图2：德州仪器的CC253x系列ZigBee收发器集成了硬件CSMA/CA MAC，加密/解密和其他逻辑内核，以释放片上处理器非常规任务，如内务功能和管理发射功率和接收器增益设置，以获得最佳性能。

多样性的优势

天线多样性可以成为在随机衰落和其他多径问题很常见的室内环境中维持收发器性能的另一种非常有效的方法。如果位置适当且定向良好，两个天线可以确保其中至少一个受到本地信道损伤的影响较小。天线分集通常用于其他无线协议，例如蓝牙和Wi-Fi，因为协议的长分组报头提供相对长的间隔，以确定具有最佳信号的天线。 ZigBee的短4位前导码为接收器提供了更短的间隔，可以确定每个信号源的信号质量。

ZigBee的短前导码意味着直到最近，收发器才能提供有限的，基于软件的天线分集，其中无线电在默认天线上接收数据包，并且当它检测到一系列丢弃或乱码的数据包时仅切换到其备用源。 GreenPeak Technologies最近开发出第一批提供真正的每包天线分集的设备。它们的接收器架构使用专用DSP在短前导码周期内分析两个天线处的信号质量，并选择最易理解的输入。此功能可通过减少数据包重新传输和降低传输功率设置来显着降低工作功耗。每个分组的天线分集也增加了9 dB的典型链路预算，允许ZigBee的0 dBm信号提供通常由更高功率的Wi-Fi网络享受的范围和覆盖范围。

睡眠模式问题

了解硬件和软件如何影响系统从节能睡眠模式进入和退出的方式，以及如何调整它们以满足特定应用的需求，这一点也很重要。 ZigBee收发器及其相关MCU必须在低功耗贪睡或睡眠模式下花费尽可能多的时间，但也能够及时响应预期会遇到的任何关键事件。在系统响应时间和能量消耗之间取得适当的平衡可以避免浪费部分ZigBee通道在丢失时隙或丢弃数据包重传时的有限信道容量。

考虑深度睡眠模式的替代方案通常也很有用，它们不会保留任何数据，需要长启动和预热序列才能使收发器恢复生机。除非您的系统需要花费数天或数周才能处于完全休眠状态，否则将系统置于轻度睡眠状态（唤醒时间较短）可能会比使用深度睡眠模式产生更低的功率分布。例如，Green Peak的GP500收发器等设备的热启动周期为1μSor或更短。相比之下，大多数收发器需要2 mS至10 mS的冷启动。同样，Energy Micro最近推出的EFR4D“Draco”系列ZigBee收发器基于其EFM32“Tiny Gecko”系列高能效32位ARM Cortex MCU，支持高度精细的睡眠模式，允许各种级别的内存保留和外周活动（图3a）。 EFM32的外围反射系统（图3b）提供额外的节能功能，允许MCU的定时器和I/O设备在CPU保持低功耗睡眠状态时自动运行。

图3：Energy Micro的EFM32 MCU具有一组高度精细的睡眠模式（a）和一个允许设备定时器的“外围反射系统（b）” ，I/O和其他外围功能在CPU休眠时起作用。