用跳频与扩频对无线机器对机器接口进行设计

　　无线机器对机器接口代表了计算机发展的第三次浪潮。次浪潮是企业计算机、昂贵的主机以及只有大企业才有能力购买的超级计算机。这一阶段为上世纪的六十和七十年代。第二次计算机浪潮开始于1981 年，当时IBM 推出了个人计算机（PC）。这一时期为上世纪的八十和九十年代。新世纪带来了第三次计算机浪潮。随着小型廉价计 算机的发展，无线技术应运而生。无线移动电话技术的出现领导了这些进步技术。这些技术包括用于手机的无线网络和增长迅速的无线热点现象（图1）。

　　尽管M2M （机器对机器） 成了当今销售领域的词，其前身无线M2M 技术早在十年前就出现了。一个已经不为人们感兴趣的术语是“遥测技术”。早期的太空计划使用无线遥测技术从太空船中向NASA 发送数据，并将控制信号返回到太空船，无需人为干预。军用频率的分配方便了NASA的工作。较高的功率级别确保了可靠的通信。近，设计人员将空间遥测技术概念应用于车辆中，如F1赛车。车载计算机可以从车辆上将数据发送到赛道旁的计算机中，后者可自动调节空气燃油比和其它参数使赛车达到性能。其它无线网络应用包括当自动售货机缺少货物或需要维护时，用“call home” 手机向管理中心情况。该无线数据通信系统包括功能强大的手机、车载娱乐和导航系统。可实时交通路况，允许用户紧急情况或请求援助。由于手机从汽车电池接受电源，且天线不需安装到小型的手机上，使系统连接能力超出了手机连接的能力。

　　因为M2M 无线网络代表了几个新兴技术间的融合，如扩频无线、嵌入式处理器、网络路由协议，以及很多其它市场大肆宣传的新技术。这种新技术宣称利用无线网络将实现灯开关与冰箱间的通信。这种思路是推动M2M发展的一种极富想象力的结果。Internet 先驱Tim Berners-Lee 曾经表明：“机器能够分析所有Web的数据，内容、链接、及人与计算机间的事务处理。这番评论的范围和观念巩固了 Berners-Lee的作为天才和卓越的思想家地位。问题是无人知道，什么是无线M2M 网络杀手级应用？尽管Berners-Lee 和其它人并不担心这个问题，但在无线连接机器的构想与工程实现此目标之间还有很多未解决的问题。

　　网络原指用一个巨大的虚拟画面，把所有东西连接起来，也可以作为动词使用。在计算机领域中，网络就是用物理链路将各个孤立的工作站或主机相连在一起，组成数据链路，从而达到资源共享和通信的目的。凡将地理位置不同，并具有独立功能的多个计算机系统通过通信设备和线路而连接起来，且以功能完善的网络软件（网络协议、信息交换方式及网络操作系统等）实现网络资源共享的系统，可称为计算机网络。

　　较大片的无线M2M 网络作为子网存在于Web中，通常没有路由或IP。要从Web 获取数据到子网中，需要安装路由器和网关。所有这些现实情况都有悖于每个无线 M2M网络节点价格低于2美元、都能连接到Web的宣传。凭自身能力而完善的计算机路由器和网关会抵消任何网络的低成本优势。无线网络的现状包括高成本的编写与标准化协议，以使这些设备寻找并连接其它设备。当工程师们达到该目标后，他们认识到这些设备需要安全性，否则任何人都可窥探你的PDA 或手机。任何特别的或自我安排的无线M2M 系统都必须处理好这些问题。这些令人好奇的实验室新鲜玩意，对于只出于纯粹的破坏欲而破坏你的数据的青少年并没有多大用处。

　　手机网络有传播距离长和部署广泛的优势。许多现场应用工程师很难找到无线IEEE 802 热点，但公司给他们Verizon 和AT&T PC 卡后，就可以通过手机系统连接到Web。他们就可以从美国的任何地点检查并发送电子邮件。使用手机网络的M2M 网络也会有相同的优势。结果，移动和远程应用，如OnStar 和长途运输车队，通过将一个GPS （定位系统） 接收机添加到无线模块上来监测车辆位置，采用了基于峰窝的连接。此特性帮助车队主人分析路线，并有监测能力来检查驾驶人员的行为。同样，一个桥接结构中可使用传感器来监测应力、流量及降级等。这些传感器可连接到维护与公路控制计算机系统，当出现地震或事故，如结构损坏时，提供紧急情况警告。这些基于手机的系统成本高、功耗大。无线模块的成本由于消费者手机的普及而迅速下降。但使用网络的成本仍然很高，原因是由于电讯公司掠夺性的定价模式：按连接或分钟收费，而M2M 系统一般只需发送几个字节的数据。

　　另一种IEEE802类型的M2M网络，在欧洲以类似ISM 的800MHz频率工作，在美国以900MHz工作，在以2.4GHz工作 （图2）。另外，专有网络可在其它频段工作，如遥控车库门和遥控车锁使用的434MHz，进行可靠通信的医疗频段等。这类网络中我们熟悉的标准为ZigBee。它使用标准化的协议，允许以较小的电池驱动设备进行通信。一些ZigBee支持者宣称电池采用10 年寿命的技术，但5年或2年的寿命更为实际。这些网络的问题是干扰与电池寿命问题。由于2.4GHz 为未批准频段，对在同一区域内可使用多少发射机并没有限制（图3）。还有些ZigBee支持者宣称几种802型的网络可以共存，但网络的成功也是他们的失败。如果世界充满了2.4GHz的发射机，有效的通信半径就会缩短到几英尺，甚至这种技术会严重影响到数据传输速率。EDN技术编辑Brian Dipert在测试无线话筒系统时指出了这种现象（参考文献2）。使用无线话筒会造成802.11无线Wi-Fi （无线高保真） LAN 停止工作或仅以50% 数据速率实现连接。

　　尽管担心干扰问题，某些成功的M2M 应用还是采用了这些ISM 无线协议。Verifone的销售终端 （POS）使用Connect One的iChip IP-controller 芯片，以便无线LAN可连接到信用卡公司来对购买行为进行授权。好处是加快了交易速度。嵌入式调制解调器需要很多秒的时间才能拨通一个电话号码、建立通信、建立加密，并实现对一个16 位的信用卡号码授权。无线系统可以更快地执行这些任务，不需要将电话线路或以太网连接到收银机。因为它们使用网络连接，所有大型商场中的收银机可同时访问信用卡授权服务器，而不必等待空闲的线路。这种技术非常适合于需要快速支付的场合，如速冻食品柜台及地铁售票亭。在这些情况下，收银机都有IP地址并连接到Internet。

　　将设备直接连接到Internet 并非总是必须的。ZigBee的支持者正在将数以十计、百计甚至上千个传感器连接到一个中央节点或协调器上。如果需要从Internet发送或接收数据，可以安装一个网关。尽管ZigBee 网不是常规的子网，并使用分组路由及其它复杂技术来将数据在同类设备之间路由或路由到中央协调器。传统的ZigBee 应用为HVAC （供暖/通风/空调）和建筑物中灯光控制，以及工厂或现场的数据采集。一个巧妙的应用是将ZigBee 节点嵌入到道路中的反射凸点上（图4）。这些节点可以实时地监测并停车场地实时利用情况，允许采集数据，判断是否有人向汽车停放收费机交钱（参考文献3）。尽管某些工业参与者将RFID 方案纳入无线M2M 网络，其它一些人还是认为该项技术为一个特殊的市场。

　　要更好地理解无线M2M 网络的特性与缺点，切记模拟设计原则应用在两个关键领域：网络的实际无线通信与系统设计。在这方面，不能迷信所有营销人员的宣传，而期望你的系统会达到那种水平。高速CMOS 的发展使 2 美元的无线电可行，但那是ZigBee类型的 802.15.4 无线电，而不是能使用手机网络的无线电。而且，如果想要在Internet上使用无线设备，必须购买足够容纳TCP/IP 堆栈的处理器，还要提供一种分配与路由IP 地址的方法。如果设备不能在已有的网状网络路径中路由，必须要进行协调并建立一个新的路径。这些工作用尽了电池资源。虽然情况不妙，但电池使用不需要在整个网络内保 持一致，即某些设备需要比其它设备更快地更换电池。或者用户会放弃部分放电的电池，因为系统维护过程会决定，按严重的设备电池消耗在定期的间隔内更换网状网络中所有的电池。

　　电池（battery）指盛有电解质溶液和金属电极以产生电流的杯、槽或其他容器或复合容器的部分空间。随着科技的进步，电池泛指能产生电能的小型装置。如太阳能电池。电池的性能参数主要有电动势、容量、比能量和电阻

　　电池的性能参数主要有电动势、容量、比能量和电阻。电动势等于单位正电荷由负极通过电池内部移到正极时，电池非静电力（化学力）所做的功。电动势取决于电极材料的化学性质，与电池的大小无关。电池所能输出的总电荷量为电池的容量，通常用安培小时作单位。在电池反应中，1千克反应物质所产生的电能称为电池的理论比能量。电池的实际比能量要比理论比能量小。因为电池中的反应物并不全按电池反应进行，同时电池内阻也要引起电动势降，因此常把比能量高的电池称做高能电池。电池的面积越大，其内阻越小。

　　而且ZigBee 网络设备在频段的2.4GHz上工作，能以240kbps的速率发送数据，那些使用915MHz 的美国ISM频段速率为40kbps，使用868MHz的欧洲ISM频段速率只达到20kbps。因此，尽管你想要将设备移出拥挤的2.4GHz频段来工作，但较慢的数据速率会以更短的电池寿命使你花费更大。

　　手机无线网络会给你“无处不在”的连接，但不能提供“永远实时连接”。一个可靠的连接也许会使用专有网络和频率，这意味着就不能依靠低成本的 ZigBee设计协议。智能的自身修复设备构成了也许不是昂贵的特殊网络。干扰、网络拓扑与设备协议等因素都会对电池寿命有不良影响。

　　不利之处

　　扩频技术并不能带来无限可用的带宽。这些技术让发射机共享带宽，但每增加一个发射机都会降低其它发射机的数据速率和传输范围。如果所有的发射机使用相同的协议，则对两者都会有影响。2.4GHz ISM 频段提供了干扰如何使所有的设备在此频段上无法工作的例子（参考文献4）。未经批准的 ISM 频段在设计上就包括了干扰源。这些未批准的2.4GHz 频段的开发人员进行这种设计，是因为微波炉磁控管在此频率上工作。这些微波炉对无线干扰会有较小但值得重视的影响。更麻烦的是，传导热量和融化的硫灯在此频段中提供了更多与通信无关的干扰。这些干扰源很受关注，允许使用的2.4GHz 频段有很多，由于FCC（美国联邦通信委员会）和其它管理机构允许多协议，使在某些领域的连接并不可靠。这些协议包括蓝牙协议采用的FHSS（跳频扩频技术）。女影星兼通信技术发明人Hedy Lamarr 在饰演钢琴师时发明了跳频无线电技术（图5 和参考文献 5）。在二战期间，她认为秘密电台通信能在战争中起重大作用。她觉得接收机可以像发射机一样跳到不同的频率，正如所饰演钢琴师弹琴键一样她的手指可跳到不同的琴键。这种认识实现了电台间可互相通信，并能防止窃听。

　　蓝牙协议将83 MHz 宽的2.4GHz ISM 频段分成79个1MHz 的片段。蓝牙设备可在32个频率间以1600 次跳/秒的速率跳跃。两个并列的蓝牙设备互相干扰的机会只有1/79了。当这种情况出现时，协议要求系统重新发送丢失的数据包。如果蓝牙设备跳到ZigBee 或Wi-Fi LAN的频率中，也会干扰这些设备。

　　蓝牙，是一种支持设备短距离通信（一般10m内）的无线电技术。能在包括移动电话、PDA、无线耳机、笔记本电脑、相关外设等众多设备之间进行无线信息交换。利用“蓝牙”技术，能够有效地简化移动通信终端设备之间的通信，也能够成功地简化设备与因特网Internet之间的通信，从而数据传输变得更加迅速高效，为无线通信拓宽道路。蓝牙采用分散式网络结构以及快跳频和短包技术，支持点对点及点对多点通信，工作在通用的2.4GHz ISM（即工业、科学、医学）频段。其数据速率为1Mbps。采用时分双工传输方案实现全双工传输。

　　客户无法满足的带宽需要促成了能提供11Mbps 速度的802.11b 标准。这些系统使用DSSS 技术，其中无线电使用83MHz 的22MHz 到2.4GHz ISM 频段。PRBS（伪随机二进制序列）相位在该频段中调制频率。与FHSS不同，DSSS 继续转变而不是在离散的频率上跳跃。 手机实施DSSS 允许多个发射机在相同的频段工作。可惜，Wi-Fi LAN使用的11 位Barker 代码提供了不充足的代码增益以允许CDMA（码分多址），尽管协议实施了CSMA（载波侦听多路访问）。发射机检测其它发射机等待的时间，直到信道寂静后，才能开始传输。802.11b的带宽分别只允许三个到四个设备在那些受FCC 和欧洲标准约束的国家中同时运行。如果有数量的设备在工作，就会出现对蓝牙、WirelessUSB、无绳电话和ZigBee 的干扰。

　　蓝牙，对于手机乃至整个 IT业而言已经不仅仅是一项简 　　单的技术，而是一种概念。当蓝牙联盟信誓旦旦地对未来前景作着美好的憧憬时，整个业界都为之震动。抛开传统连线的束缚，彻底地享受无拘无束的乐趣，蓝牙给予我们的承诺足以让人精神振奋。 　　蓝牙技术是一种无线数据与语音通信的开放性规范，它以低成本的近距离无线连接为基础，为固定与移动设备通信环境建立一个特别连接。其程序写在一个9 x 9 mm的微芯片中。

　　无线USB 可以是在3GHz及更高频率上的宽带无线电，但Cypress Semiconductor 还开发了2.4GHz Wireles sUSB 标准。像蓝牙一样，这种标准将2.4GHz 频段分成了79个1MHz 宽的频段，Cypress使用DSSS 而不是FHSS 来调制信号。连接并不会跳跃 79 个频段，而只在一个频段上工作。WirelessUSB 的开发人员将其目标定为代替线缆上，它具有较低数据速率的HID（人机接口设备）。他们一般将2.4GHz 频段分成10 到20 个信道。电话很少有频率捷变，但允许用户选择一个工作信道，以避免噪声。

　　SM频带是对所有无线电系统都开放的频带，因此使用其中的某个频段都会遇到不可预测的干扰源。例如某些家电、无绳电话、汽车房开门器、微波炉等等，都可能是干扰。为此，蓝牙特别设计了快速确认和跳频方案以确保链路稳定。跳频技术是把频带分成若干个跳频信道（hop channel），在连接中，无线电收发器按一定的码序列（即一定的规律，技术上叫做"伪随机码"，就是"假"的随机码）不断地从一个信道"跳"到另一个信道，只有收发双方是按这个规律进行通信的，而其他的干扰不可能按同样的规律进行干扰；跳频的瞬时带宽是很窄的，但通过扩展频谱技术使这个窄带宽成百倍地扩展成宽频带，使干扰可能的影响变成很小

　　图6 显示了2.4GHz 频段中的所有无线电和协议。如果将频谱当作一个生态系统，可以将Wi-Fi 无线局域网视为食物链顶部的狮子。它们占用了大量的带宽，在忙时会吞没该区域的其它传输信号。蓝牙设备像昆虫在其79 个1MHz 的频段中游 走。它们发送强大的信号，淹没了丛林中所有的其它动物。因此，几个Wi-Fi LAN 生产商建议客户不要使用无绳电话。未批准的2.4GHz 频段并不是无人管理的，FCC只确定了其电源等级。DSSS与FHSS调制方案的混合会对两种设备造成某些问题。

　　两种缓和因素为此带来希望：地区与某些无线设备不常使用的传输。即使能量较低的蓝牙发射机也比20 码远的无线LAN功率大。该公司在2005 年并购了ZigBee 的先驱 Chipcon。较低的频率可提高传播范围。Zarlink 提供了不可移植的无线电芯片ZL70101，使用400MHz 到405MHz 的MICS（ 医疗植入通信服务）频段。设备以MAC（介质访问控制）提供了800kbps 数据速率，其中包括Reed-Solomon编码FEC（向前纠错）和CRC （循环冗余校验） 错误检测和重新发送来实现可靠的数据链路。

　　一个创新企业发现了构建光控产品的市场比ZigBee支持者所构想的网状网络更为简单。PulseSwitch Systems 的光控开关（Lightning Switch）使用压电驱动的发射机将代码发送到500W 交流线路控制器，控制器使用fob与遥控车库门采用的434MHz 频率。有2.68 亿个代码可供使用，他说，在相同的房间里可以有相同号的发射机接收机对，但它们彼此间或与其它工作于ISM频率上的设备间不会互相干扰。

　　试想有一种应用，到了排放检测的时候，DMV （机动车管理局）可以用来与你的车辆通信。车辆就会采集并传回污染性能数据（无须人为干预），实时通过路况条件和驱动周期数等。EDN 责任编辑 Ron Wilson 指出，“可以从先驱者背后的箭头上认出他们。”Ricochet mobile 无线网络为没有成功的早期无线网状网络。M2M 的现实既不是可怜的失败也不是巨大的成功，而是处于两者之间。当有些人发明了杀手级应用时，我们都会一拍脑门问道，“ 为什么我没有想到？”

  

参考文献:

[1]. ZL70101 datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/ZL70101_1633987.html.
[2]. DMV  datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/DMV+_2388430.html.