低功耗無線技術選型

圖1： 可穿戴電子設備是低功耗無線技術適用的主要市場領域。（圖片來源：Nordic Semiconductor）

目前科技的發展，在很大程度上集中于使用傳感器收集和傳遞信號與數據的物聯網(IoT) 連接上。終端產品的用例涵蓋從智能手機、健康和健身類可穿戴電子設備（圖1）及家庭自動化，到智能電表和工業控制等。這些產品都具有超低功耗、低成本和小體積的設計約束。

本文將討論和對比低功耗無線技術的幾種主要選擇，討論每種技術的基本原理及其關鍵操作特性，如頻段、網絡拓撲支持、吞吐量、范圍和共存等。本文是有關低功耗無線技術選型及應用專題系列文章的第一篇。

八大主流技術

工程師在低功耗無線技術方面現在有很多選擇，包括低功耗藍牙（BLE）、ANT、ZigBee、RF4CE、NFC、Nike+和Wi-Fi等基于射頻的技術，以及紅外數據協會（IrDA）所倡導的紅外技術。

但是，這種廣泛的選擇卻加大了選擇過程的難度。每種技術都會在功耗、帶寬和范圍之間進行權衡。有些技術基于開放標準，而其他技術則保持專有。讓情況變得更加復雜的是，為了滿足物聯網的需求，新的無線接口和協議不斷涌現。下面我們就對這些主流的低功耗無線協議進行一個梳理。

1、低功耗藍牙：不斷擴張的版圖

低功耗藍牙始于諾基亞研究中心一項名為Wibree的項目。2007年，該技術為藍牙技術聯盟（SIG）所采用。2010年，SIG在推出藍牙4.0版（v4.0）時引入該技術，作為一種超低功耗的藍牙技術。

該技術將藍牙生態系統擴展到可穿戴電子設備等電池容量較小的應用。其在目標應用中采用微安平均電流，與智能手機、音頻耳機和無線臺式電腦中常用的“傳統”藍牙互補。

該技術在2.4 GHz工業、科研和醫療（ISM）頻段工作，適用于傳輸來自緊湊型無線傳感器或其他可使用完全異步通信的外設的數據。這些設備很少發送少量數據（即少數字節）。其占空比范圍從每秒幾次到每分鐘一次，或者更長。

從藍牙v4.0開始，藍牙內核規范定義了兩種芯片類型： 一種是低功耗藍牙芯片；另一種藍牙芯片采用經過修改的堆棧，加上集成以前版本的基本速率（BR）/增強型數據速率 （EDR）物理層（PHY）以及低功耗（LE）PHY（“BR/EDR + LE”），使其可與該標準的所有版本和芯片變體進行互操作。低功耗藍牙芯片可以與其他低功耗藍牙芯片和符合藍牙v4.0或更高版本標準的藍牙芯片互操作。

在許多消費應用中，低功耗藍牙芯片可與藍牙芯片協同工作，但由于4.1、4.2和5版中增強了標準，低功耗藍牙芯片正越來越多地作為一個獨立的設備使用。

近期推出的藍牙5規范將低功耗藍牙的原始數據速率從1Mb/s提高到2Mb/s，且提供了比以前版本高4倍的范圍。請注意，最大吞吐量和最大范圍不能同時實現，這是傳統的權衡。藍牙SIG最近還采用了藍牙mesh 1.0，用于支持在網狀網絡拓撲中配置該技術，本系列專題文章的第3部分將對此進行更詳細的介紹。

有關低功耗藍牙的全面概述，請參見“兼容藍牙4.1、4.2 和5 的低功耗藍牙 SoC 和工具可應對物聯網挑戰（第1 部分）”。

2、ANT：為紐扣電池供電設備而生

ANT是一種超低功耗無線協議，在2.4 GHz ISM頻段工作，堪比低功耗藍牙。它與低功耗藍牙一樣，專為紐扣電池供電的傳感器（擁有數月或數年的電池壽命）而設計。該協議由Dynastream Innovations（一家加拿大公司，現已并入Garmin）于2004年發布。Dynastream Innovations 并不生產芯片，但設計人員可以從生產nRF51422 SoC 的Nordic Semiconductor以及Texas Instruments （TI）等公司的2.4 GHz收發器上獲得其固件。不過，該公司還提供一系列運行ANT協議并經過全面測試和認證的射頻模塊，這些模塊幾乎不需要什么設計集成工作，且已經通過監管認證。

雖然ANT是一種專有的射頻協議，但可以通過ANT+管理網絡支持互操作性。ANT+有助于實現ANT+ Alliance成員設備之間的互操作性，也有助于完成傳感器數據的收集、自動傳輸和跟蹤。互操作性通過設備配置文件來確保；任何實施特定設備配置文件的ANT+ 設備都可與實施同一設備配置文件的任何其他ANT+設備進行互操作。新產品必須通過ANT+認證測試才能實現互操作性。該認證由ANT+ Alliance負責管理。

ANT和ANT+最初針對的是運動和健身細分市場，但最近該產品已經用于家庭和工業自動化領域的應用。該協議仍在不斷發展，最近宣布推出的ANT BLAZE是一種面向企業的網狀網技術，用于節點數較多的物聯網應用。（請參見本系列專題文章的第3部分）

3、ZigBee：網狀網絡實力玩家

ZigBee 是一種低功耗無線規范，使用基于IEEE 802.15.4的PHY和介質訪問控制 （MAC）。除此之外，它運行由ZigBee Alliance控制的協議。該技術被設計用于面向工業和家庭自動化領域的網狀網絡，使其領先于某些競爭技術。

ZigBee的工作頻段包括2.4GHz ISM頻段以及Sub-GHz頻段——784 MHz（在中國）、868 MHz（在歐洲）和915 MHz（在美國和澳大利亞）。其數據速率在20Kb/s（868 MHz頻段）至250Kb/s（2.4 GHz 頻段）之間變化。ZigBee使用16個間隔為5MHz的2MHz通道，因此頻譜效率因未使用的分配而有所降低。

ZigBee PRO于2007年發布，提供了穩健部署所需的更多功能，包括更高的安全性。ZigBee Alliance剛剛宣布推出ZigBee PRO 2017，這是一種能夠同時在2.4GHz和800-900MHz ISM頻段工作的網狀網絡。

4、RF4CE：射頻遙控定制協議

消費電子射頻（RF4CE）基于ZigBee，但采用針對射頻遙控要求而定制的協議。2009 年，以下四家消費電子公司對RF4CE進行了標準化：Sony、Philips、Panasonic和Samsung。該技術得到多家芯片供應商的支持，其中包括Microchip、Silicon Labs 和Texas Instruments。RF4CE的預期用途是用作設備遙控系統，例如用于電視機頂盒。該技術使用射頻來克服紅外（IR）遙控的互操作性、瞄準線和功能有限等缺陷。

最近，RF4CE面臨著來自用于遙控應用的低功耗藍牙和ZigBee的激烈競爭。

5、Wi-Fi：憑HaLow加入低功耗無線戰局

基于IEEE 802.11的Wi-Fi是一種非常高效的無線技術；但該技術針僅對使用高速吞吐量傳輸大量數據進行了優化，并未針對實現低功耗進行優化。因此，Wi-Fi不適合低功耗（紐扣電池）工作。近年來，該技術在降低功耗方面已取得一些改進，包括IEEE標準802.11v（指定客戶端設備在連接到無線網絡時的配置）等修訂。IEEE 802.11ah（Wi-Fi“HaLow”）于2017年發布，其在90MHz ISM頻段工作，與在2.4GHz和5GHz頻段工作的Wi-Fi版本相比，可實現更低的功耗和更廣的范圍。

6、NIKE+：正在衰落的專有協議

Nike+是運動服飾制造商Nike面向健身市場開發的專有無線技術。它主要用于將集成2.4 GHz無線電芯片的Nike“計步器”與負責分析并提供所收集數據的Apple移動設備連接起來。由于新一代智能手機采用了相同的技術，Nike+硬件雖然仍然受到一群健身愛好者的青睞，但已經開始衰落。Nike已放棄其無線健身頻段的產品，轉而將重點放到智能手機軟件應用上。Nike+系統所基于的專有無線技術目前仍用于無線鼠標和鍵盤等產品。如果沒有互操作性要求，類似技術（如Nordic Semiconductor的nRF24LE1）的確能在無需滿足標準合規性的情況下提供可與低功耗藍牙等技術相媲美的性能。

7、IrDA：固守傳統市場空間

紅外數據協會(IrDA) 由大約50家公司組成，并以IrDA的名義發布了多個紅外通信協議。IrDA并非基于射頻的技術，而是采用紅外光的調制脈沖來傳輸信息。該技術的主要優勢在于內置安全性（因為它不是射頻）、非常低的比特誤碼率(BER)（可提高效率）、無需監管合規認證及低成本。該技術還有高速版本，可提供1 Gb/s的傳輸速率。

紅外技術的缺點在于范圍有限（特別是高速版本）、具有“瞄準線”要求，以及在標準實施中缺乏雙向通信。與無線電技術相比，IrDA也不是特別節能（就每比特功率而言）。對于以成本為關鍵設計參數的基本遙控應用，IrDA可以保持市場份額，但在需要提高控制功能（例如智能電視所需的控制功能）的情況下，設計人員通常會指定低功耗藍牙和RF4CE。

8、NFC：細分利基市場寵兒

近場通訊（NFC）技術在13.56MHz ISM頻段工作。在此低頻下，發射和接收環形天線主要分別用作變壓器的初級和次級繞組。數據傳輸通過磁場而非伴隨的電場完成，因為后者在短距離內并不占優勢。NFC以高達424Kb/s的速率傳輸數據。顧名思義，它適用于最大工作范圍為10厘米的極短距離通信。因為此局限性，它無法與低功耗藍牙、ZigBee、Wi-Fi 和類似技術直接競爭。NXP USA 等制造商提供諸如CLRC66303 NFC 收發器之類的芯片。

NFC的關鍵優勢在于，“無源”NFC設備（例如支付卡）不需要電源，只有在供電NFC設備近距離范圍內才會變為有源設備。NFC已廣泛應用于非接觸式支付技術，并用作與其他無線技術（如低功耗藍牙設備）進行配對的方法，而不存在“中間人”攻擊的安全風險。NFC可能會作為一項補充本文所述其他無線技術的利基應用技術而獲得較大的市場份額。

五種網絡拓撲

低功耗無線技術支持多達五種主要的網絡拓撲：

·   廣播： 從發射器將消息發送到覆蓋范圍內的任何接收器。通道是單向的，不會確認已收到消息。（見圖2a）
·   端對端： 兩個收發器通過雙向通道連接起來，可以借該通道確認消息并雙向傳輸數據。（見圖2b）
·   星形： 中央收發器通過雙向通道與多個外圍收發器進行通信。外圍收發器彼此間不能直接通信。（見圖2c）
·   掃描： 中央掃描設備保持接收模式，等待接收從覆蓋范圍內任何發射設備發出的信號。通信是單向的。（見圖2d）
·   網狀： 可以跨越連接多個節點的雙向通道（通常使用具有集線器和中繼器等其他功能的節點服務）將消息從網絡中的一個點中轉到任何其他點。（見圖2e）

圖2顯示了這些網絡拓撲，表1中概述了上述每種無線技術所支持的網絡拓撲。

圖2：低功耗無線技術經過發展，已經可以支持越來越復雜的網絡拓撲。（圖片來源：Texas Instruments）

表1： 低功耗無線技術支持的網絡拓撲。（表格來源：Digi-Key）

（注釋：1，必須為偵聽廣播信號的節點激活連續接收模式；2，所有網絡流量停止且功耗很高。）

四個關鍵性能

（1）范圍

通常認為，無線技術的范圍與發射器的功率輸出和按分貝（“鏈路預算”）衡量的接收器射頻靈敏度相結合的結果成正比。功率傳輸和靈敏度的提高能夠有效改善信噪比(SNR)，因此可以擴大覆蓋范圍。SNR可衡量接收器從環境噪聲中正確提取并解碼信號的能力。在閾值SNR下，BER會超過無線電的規格，導致通信失敗。例如，按照低功耗藍牙接收器的設計，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管機構的限制。相關規定通常很復雜，但基本上是這樣規定的：跳頻頻率數少于75個但至少達到15個的跳頻系統，在其天線輸入處測量的峰值發射功率必須限定為+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。

除了此規范外，低功耗無線技術還包括對傳輸功率的規范限制，旨在最大限度延長電池壽命。限制無線電處于高功率發射或接收狀態的時間可節約大量電能，但射頻芯片制造者也可以通過將低功耗藍牙最大發射功率限定為+4dBm來節能（此為通常情況，有時也可限定為+8dBm，均遠遠低于相關規范規定的+21dBm限值）。

不過，發射功率和靈敏度并非限制無線設備范圍的唯一因素。工作環境（例如是否存在天花板和墻壁）、射頻載波的頻率、設計布局、機械構造和編碼方案都會對范圍產生影響。范圍通常是針對“理想”環境而言，但設備經常會用于使其受到嚴重影響的環境。例如，2.4GHz信號遇到人體會嚴重衰減，因此戴在手腕上的可穿戴電子設備可能難以將信號發射到裝在背包里的智能手機上，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在沒有其他射頻或光源干擾的暢通無阻環境中所能實現的典型范圍：

· NFC：10 cm
· 高速IrDA：10 cm
· Nike+：10 m
· ANT(+)：30 m
· 5GHz Wi-Fi：50 m
· ZigBee/RF4CE：100 m
· 低功耗藍牙：100 m
· 2.4GHz Wi-Fi：150 m
· 使用藍牙5擴展范圍功能的低功耗藍牙：200~400m（取決于前向糾錯編碼方案）

（2）吞吐量

通過低功耗無線技術進行傳輸包括兩部分：實施協議的比特（例如數據包ID和長度、通道和校驗和，統稱為“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議效率（圖3）。

圖3：低功耗無線技術數據包（此處顯示的是低功耗藍牙/藍牙4.1）包含開銷和有效載荷。協議效率由每個數據包中攜帶的有用數據量（有效載荷）決定。（圖片來源： 藍牙SIG）

“原始”數據速率（開銷加有效載荷）可衡量每秒傳輸的位數，營銷材料中通常會引用該數字。有效載荷數據速率總是比該數字低。（本系列專題文章的第2部分將詳細介紹每種協議的效率及其對電池壽命的后續影響）

低功耗無線技術通常需要在傳感器節點與中央設備之間定期傳輸少量傳感器信息，同時最大限度地降低功耗，因此帶寬通常是適中的。

以下列表對本文所述技術的原始數據和有效載荷吞吐量進行了比較。（請注意，這些數據是理論最大值，實際吞吐量取決于配置和工作條件）：

· Nike+：2Mb/s，272bits/s（有意將吞吐量限制為每秒一個數據包）
· ANT+：20Kb/s（在猝發模式下–請見下文），10Kb/s
· NFC：424Kb/s，106Kb/s
· ZigBee：250Kb/s（在2.4GHz下），200Kb/s
· RF4CE（與ZigBee相同）
· 低功耗藍牙：1Mb/s，305Kb/s
· 高速IrDA：原始數據1Gb/s，有效載荷500Kb/s
· 具有藍牙5高吞吐量的低功耗藍牙：2Mb/s，1.4Mb/s
· Wi-Fi：11Mb/s（功耗最低的802.11b模式），6Mb/s

（3）延時

無線系統的延時可定義為信號發射到接收之間的時間。雖然延時通常只有幾毫秒的時間，但它對于無線應用來說是一項重要考量因素。例如，低延時對于自動向傳感器輪詢數據（可能每秒一次）的應用來說并不那么重要，但是對于像遙控這樣用戶期望在按下按鍵到后續操作之間察覺不出延時的消費應用而言，低延時可能會變得非常重要。

以下列表對本文所述技術的延時進行了比較。（同樣請注意，這些值取決于配置和工作條件。）

· ANT：可忽略不計
· Wi-Fi：1.5ms
· 低功耗藍牙：2.5 ms
· ZigBee：20ms
· IrDA：25ms
· NFC：通常每秒輪詢一次（但可由產品制造商指定）
· Nike+：1s

請注意，ANT和Wi-Fi引用的低延時需要接收設備持續偵聽，這會快速消耗電池電量。對于低功耗傳感器應用，可以通過延長ANT消息傳送時段來改善電池消耗，但代價是延時會增加。

（4）穩健性和共存

可靠的數據包傳輸對電池壽命和用戶體驗有著直接的影響。一般來說，如果數據包因傳輸環境欠佳、來自附近無線電的意外干擾或故意的頻率干擾而無法送達，發射器會一直嘗試，直到數據包成功送達。這種行為需要以犧牲電池壽命為代價。此外，如果無線系統限于單個傳輸通道，其可靠性在擁擠的環境中將不可避免地下降。

一種無線電在存在其他無線電的情況下工作的能力稱為共存。當無線電幾乎沒有間隔地在同一臺設備中工作時（例如智能手機中的低功耗藍牙和Wi-Fi），這種情況會特別有趣。在藍牙與Wi-Fi之間實現共存的一種標準方法是使用帶外信號傳輸方案，該方案包括在每個集成電路（IC）之間建立有線連接，以便在每個IC可以自由發射或接收時進行協調。在本文中，被動共存是指干擾避免系統，主動共存是指芯片之間的信號傳輸。

有一種經過驗證的方法可以幫助實現被動共存，那就是信道跳頻。低功耗藍牙使用跳頻擴頻（FHSS），在其37個數據通道之間以偽隨機模式跳頻，從而避免干擾。低功耗藍牙所謂的自適應跳頻（AFH）使每個節點都能映射頻繁擁塞的通道，然后在未來的事務中避免這些通道。該規范的最新版本（藍牙5）引入了改進的通道序列化算法（CSA #2），用于提高下一跳通道序列化的偽隨機性，從而提高抗干擾能力。

ANT支持使用多個射頻工作頻率（帶寬均為1 MHz）。一旦選定，所有通信都將在一個頻率上進行，且只有在選定頻率出現明顯衰減時才會發生信道跳頻。

為了減輕擁塞，ANT使用時域多路存取（TDMA）自適應同步方案，將每個1MHz頻段細分為大約7ms的時隙。這些時隙根據ANT消息傳送時段（例如，每250ms或4Hz）重復，通道上的配對設備就在這些時隙期間進行通信。在實際應用中，一個1MHz頻帶中可以容納數十個甚至數百個節點而不發生沖突。在數據完整性至關重要的情況下，ANT可以使用“猝發”消息傳送技術；這是一種多消息傳輸技術，使用全部可用帶寬并運行至全部數據傳輸完成。

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

與低功耗藍牙的FHSS技術和ANT的TDMA方案相比，ZigBee（和RF4CE）采用直接序列擴頻(DSSS) 方法。DSSS期間，在發射器上將信號與偽隨機碼混合，然后在接收器上提取信號。該技術通過在寬帶上傳輸發射信號來有效提高信噪比（圖4）。ZigBee PRO實施了另一種稱為頻率捷變的技術，網絡節點借此掃描清晰的頻譜并通知協調器，以便在整個網絡中使用該通道。不過，實際操作中鮮少部署此功能。

圖4：ZigBee 嘗試通過在所分配的頻譜上傳輸發射信號來減輕其他2.4 GHz 無線電的干擾。（圖片來源：Texas Instruments）

Wi-Fi在美國使用11個20 MHz通道，在全球其他大部分地區使用13個通道，在日本使用14個通道。因此，在2.45GHz頻譜分配的83MHz寬度范圍內，僅可為三個非重疊的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通道。它們不含自動信道跳頻功能，但是如果在工作中證明存在干擾問題，用戶可以手動切換到另一個通道。

在選定通道內，Wi-Fi的干擾避免機制很復雜，但基本上是將DSSS與正交頻分復用 （OFDM）相結合。OFDM是一種使用許多具有低速率調制的近距離載波的傳輸形式。由于信號是正交傳輸的，因此近距離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，顯著降低了發生干擾問題的機會。

Wi-Fi還采用主動共存技術，以及在檢測到來自其他無線電的干擾時降低數據速率的機制。

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

圖5： 低功耗藍牙的廣播通道離Wi-Fi默認通道較遠。請注意，還有另外七個通道也可以擺脫潛在的Wi-Fi干擾。（圖片來源：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切換通道。由于該技術的最小數據傳輸速率和占空比，需要這樣做的情況極少。

IrDA沒有實施任何形式的共存技術。但是，作為一種光學技術，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線要求，即便是同時工作的紅外設備也不太可能相互干擾。

NFC實施了某種形式的共存技術，讀取器借助該技術從包含多張NFC卡的錢包中選擇特定卡的NFC標簽。由于傳輸距離短，其他NFC設備和/或其他無線電之間的干擾級為罕見。但值得注意的是，調頻（FM）頻段中的13.56MHz頻段具有諧波，并且在81.3MHz和94.9MHz頻段諧波尤為強烈。這些諧波有可能導致同地協作FM接收器中出現咔嗒噪聲。可以實施防沖突技術（例如，通過“偏移”或清理）來降低FM干擾效應。

總結

目前有許多常用的低功耗無線技術。雖然每種技術都是針對電池供電工作及相對適度的數據傳輸而設計的，但它們具有不同的范圍、吞吐量、穩健性和共存功能。這些不同性能適合不同的應用，即使有很大程度的重疊。