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433MHz自组网和ZigBee的物理层(PHY)差异之二:接收选择性分析

作者:微网智控 WiMi-net来源:原创网址:http://www.wiminet.cn

 随着电子技术的不断发展和完善,无线电通讯产品在人们得生活中越来越普遍,由于电磁波通讯的基本原理的约束,这些工作于不同频段,不同调制方式的无线电产品之间不可避免的会产生相互干扰,因此要想获得好的通讯效果,在物理层的抗干扰措施就显得越来越重要。


通常而言,干扰源离工作信道的间隔越远,其隔离效果越好;反之干扰源离工作信道的间距越近,其干扰也就越重,传输过程中报文破损的概率越大,通讯效果也就越差。

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2.4GHz作为一个全球通讯的无线电波频段,在兼容性和无线电认证方面地区拥有巨大的优势,但是随着智能手机的普及和Wi-Fi和蓝牙技术的爆炸性增长,该频段也变得越来越拥挤,通讯效果越来越差,毫无疑问在该频段工作的所有的无线电装置都面临这后续发展的问题,下面我们来看看Wi-Fi,蓝牙,以及ZigBee分别有什么应对措施。


Wi-Fi技术本身的可靠保障措施非常多,具体说来如下:


(1)    Wi-FiOFDM机制运作的,本身有多个载波并行传输,某个载波到干扰,数据破坏,但是不见得所有的载波都受损了,因此宏观的表现就是速率变慢而已,原来的有效带宽可以达到80Mbps,现在仅仅40Mbps而已,好在Wi-Fi本身速率很高,即便有一些带宽上的损失,只要用户的应用带宽需求不是很强烈,还是没有什么影响的,平时用手机浏览网页,看看新闻什么的对于带宽需要极地,Wi-Fi的带宽仍然是绰绰有余的,因此对于用户的实际体验影响在大多数情况下基本上可以忽略不计。


(2)    Wi-Fi主流的配置上本身有2个频段,分别是2.4GHz5.8GHz5.8GHz虽然频段更高,穿透性更差,但是作为办公室和家庭联网应用,基本上还是足够的。因此即便2.4GHz的频段现在越来越脏了,但是5.8GHz的频段确实非常干净的,至少目前是如此!


(3)    Wi-Fi本身是基于IP技术设计的,可以在传输层层支持TCP协议,通过补包的机制来修复受损的报文,同时由于本身的速率很高,可以轻松的达到300Mbps以上,因此补包的速率很快,时间很短,用户基本上感觉不到,因此即便是有碰撞丢包,对于宏观的体验而言,也没有什么实质性的影响。


我们在来看看蓝牙技术的可靠性保障措施:


   (1)    蓝牙本身是基于跳频机制运行的,对于干扰信号有很强的躲避能力,2.4GHz频段的干扰再怎么严重,也不能所有的信道同一时刻都处于拥挤状态,因此蓝牙的实际丢包率并不严重


   (2)    蓝牙的速率高达1Mbps甚至更高,数据破损之后,及时的补包延时很低,在应用层面几乎感觉不到

 

   (3)    蓝牙技术技术本身是作为短距离应用而生的,通常就是10m之内。其作用半径越小,单位空间内的干扰源的能量密度越低,其干扰强度越轻,蓝牙的数据包破损的概率也就越低。


 (4)    蓝牙的主流应用仍然是点对点的应用,几乎不用考虑网络内部其他节点的碰撞问题,不同的2对蓝牙连接,其跳频图案也是不一样的,因此即便多对蓝牙放在一起进行通讯,其干扰的概率也是极地的。


 (5)    由于蓝牙的主流应用主要是是点对点应用,而不是网络应用,因此几乎不需要考虑MAC层的网络碰撞,比如CSMA/CA这些机制引起的介质访问申请延迟,因此补包的延迟几乎是可以忽略不记的。


从上面的对比分析可以看出来,ZigBee技术在物理层方面没有任何新的创新机制,Wi-Fi和蓝牙技术所拥有的这些抗干扰机制它都没有,那么只能只靠本身的带宽带外抑制能力了,好比是Wi-Fi和蓝牙都很强的免疫力,不太容易感冒一样,ZigBee却不行,真要是得了感冒只能生生硬抗。


毫无疑问,由于Wi-Fi和蓝牙技术的爆炸性的发展,2.4GHz的干扰要比Sub-GHz的干扰要严重的多,因此ZigBee的运行环境要远远比Sub-GHz的自组网系统更加险恶。同样强度的2.4GHz干扰,对于ZigBee而言,其干扰抑制能力可能只有只有30dB,但是对于433MHz而言,由于干扰信号离工作信道实在太远,其干扰抑制能力可以达到90dB,基本上可以忽略不计。


或许有人会问,拿2.4GHz的干扰来对比ZigBee433MHz的抗干扰能力不公平,需要在各自的工作频带附近找对照的干扰源,好吧我们来分析一下这两个系统的同一频带附近的抗干扰能力。


我们给出2个套射频系统,拥有相同的出色的接收灵敏度,都是-123dBm,但是由于载波频率不一样,其选择性能有一定的差异,在125KHz的间隔的时候,其选择性分别是54dB42dB


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如上图所示,在干扰信号很弱(-90dBm)的情况下,这个信号和极限接收灵敏度的差距为33dB,既没有达到射频系统A的选择性门限,也没有达到射频系统B的选择性门限,因此在这种情况下,射频系统A和射频系统B的接收灵敏度都不会受到任何的影响。


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在强干扰源(-50dB)的作用下,由于射频系统的选择性,射频系统A的实际选择性会被压缩至-104dBm,而系统的接收灵敏度则会被压缩至-92dBm


上述参数实际上是一两套433MHz的射频系统的技术指标,比如TICC1200CC1101之间的对比,工作于2.4GHz频段的ZigBee系统的技术指标比射频系统B还要差很多,具体体现在下述几个方面:

(1)    ZigBee的接收灵敏度不可能达到-123dBm这么高,通常只有-90dBm附近


(2)    ZigBee的载波更高,通常的信道间隔不可能做到125KHz这么低,通常都是500KHz甚至1MHz以上,在125KHz附近的选择性将会射频系统B更差


(3)    ZigBee的射频速率高达250Kbps,其接收滤波带宽必然更高,其选择性和接收灵敏度会同时大幅度下降


  当然说到底,ZigBee技术本身就是定位于短程无线通讯的,用在长距离和高衰减的场合已经违背了ZigBee技术的设计初衷,那么这个市场空白只能由别的技术进行填补,毫无疑问433MHz的自组网是有一个强有力的候选对象!