非标准无线技术的应用优势分析

蓝牙非常适合在由PDA、耳机、手机和笔记本电脑组成的个人局域网(PAN)上建立全面兼容的通信，在这种情况下采用标准的无线技术确实可以减少很多设计挑战。可以确定的是，这样的设计肯定能与另外一个采用相同标准的设计成功地建立通信，并达到想要的距离范围和数据传输速率。但在具有大量节点、需要可靠但不频繁的通信，以及电池要用数年的网络中，最近批准的ZigBee标准更加适用。

然而，采用这些标准需要付出一定的代价。这些芯片相对昂贵，仅为了确保兼容性就需要大量数据包开销，从而增加数据传输时间和功耗。802.15解决方案需要做很多设计和测试工作来确保与标准的兼容性，这对确保许多制造商提供的移动设备、笔记本或无线传感器之间的互操作性时很有意义。但如果目标应用是点到点的专用链路，如无线鼠标到键盘，这个代价就显得毫无必要。随着制造商开始寻找机会为海外市场开发创新产品，这些低成本、低功耗应用变得越来越重要。

本文介绍由Nordic半导体公司为这些典型应用而开发的集成式专利无线芯片(nRF24xx系列)的优点，对使用蓝牙、ZigBee和该芯片做的无线鼠标设计进行对比，并演示这种替代无线技术的先进性。这些设计的基本单元无需大的改动就可以实现其它简单的应用，如游戏控制器和“智能”运动设备。

标准和非标准无线技术的对比

蓝牙协议允许在(PAN或“微蜂窝”中的)1个主设备和最多7个从设备之间传送数据，最高速率可达723kbps。然而，实际数据有效载荷一般会由于通信协议开销而所有减少。这些通信协议开销主要是利用地址和其它头部信息来定义每个单元的类型，用以确保与其它蓝牙设备的兼容性。

蓝牙标准采用高斯频移键控(GFSK)调制方案，在2.4GHz频段内使用83个1Mbps的信道。GFSK先对调制过的基带信号进行高斯滤波，然后再送到载波发射电路,从而阻尼或降低高电平(1)和低电平(0)之间的频率摆幅。它与直接频率键控(FSK)方法相比,可以使发送信号的频谱更加窄、更加“干净”。

蓝牙工作在与其它无线技术(如Wi-Fi)相同的免许可ISM频段，其它无线技术的干扰会使数据速率降低，因为经常会有错误的数据包需要重发。不过，版本1.2通过采用自适应跳频(AFH)技术解决了这个问题。这种技术允许两个通信中的蓝牙设备不断交换频段中的共有频率，从而避免与其它相邻无线设备发生冲突。

蓝牙设备共有3种基本的功率等级：Class1(可视距离为100米)、Class2(可视距离为10米)、Class3(可视距离为2～3米)。目前大多数消费类设备属于蓝牙Class2类型的设备。

蓝牙微蜂窝中的每个设备都有唯一的48位识别符。第一个被识别的设备(通常在2秒以内)将成为主设备，它会在整个频段上设置为每秒使用1,600个频率。微蜂窝中的所有其它设备“锁定”或同步于这个序列。主设备在偶时隙发送信号，从设备在奇时隙作出响应。微蜂窝中被激活的从设备都会被分配一个地址，并侦听带有它们自己地址的时隙。

从设备也会进入低功率的“嗅探(Sniff)”、“保持(hold)”或“停止运行(park)”模式。在嗅探模式下，设备只是周期性地在特定的嗅探时隙进行侦听，但仍保持同步状态。在保持模式下，设备也只是侦听以确定是否要激活。在停止运行状态，设备甚至会释放它的地址。虽然保持和停止运行模式能延长电池寿命，但设备至少会在1600个跳频时间内失去同步，直到新的链路建立起来。建立链路需要几秒的时间，因此当用户要求恒定快速响应时这是一个很明显的缺陷。

蓝牙标准包括许多“模式”，你在开发时可以有目的地进行选择。然而，所有蓝牙设备都必须进行标准兼容性认证，且所有的标准使用者都必须是蓝牙专门兴趣小组的成员。迫于蓝牙专门兴趣小组成员的商用压力，蓝牙的大多数模式都适合手机的多媒体和文件传输应用。因此，采用蓝牙规范来开发产品并不是一件轻松的事，可能使蓝牙不太适合用在简单的设备中。

ZigBee是最近推出的RF标准，主要用于具有大量分布式节点的低功率、低数据率无线监视和控制应用。ZigBee标准由IEEE802.15.4定义，是一种具有高可靠性的简单数据协议。它对每次发送的数据串进行确认，并采用它技术来保证通信的完整性。ZigBee不需要蓝牙的同步机制，因而功耗要求显著降低。

与蓝牙一样，ZigBee工作在ISM2.4GHz波段(16个间隔为5MHz的信道)。该标准也提供工作在欧洲868MHz(单信道)和美国915MHz(10个间隔为2MHz的信道)波段的版本，最大数据速率可达250kbps。ZigBee采用直接序列扩频(DSSS)机制进行数据传输。DSSS具有一定的抗干扰性能，但需要传送额外的数据包，从而带来带宽使用率和功耗方面的额外开销。ZigBee可以在某些应用环境中解决蓝牙标准可能存在的缺陷，特别是在低延时和低数据速率应用场合中。然而，ZigBee设备在无线物理层仍必须承载一定的开销以满足802.15.4规范所要求的互操作性功能。

互补性技术

蓝牙和ZigBee组织认为，这两个标准是互补而非竞争的关系。ZigBee确实允许更多的节点(多达4,090个)，而蓝牙总共才7个从设备加上1个主设备。ZigBee协议适合工业和家庭监视与控制应用，这些网络的特点是节点多、节点活跃性特别低以及网络功能容易扩展。

功耗是这两个标准之间的最大差异。ZigBee主要用于工作时间特别短、寿命特别长的应用，其电池寿命以年来度量，而连续的蓝牙通信一般在几小时之内就会耗尽电池。此外，ZigBee芯片组的成本比蓝牙解决方案的成本低(虽然为了降低成本，不少的蓝牙协议堆栈提供少于全范围的工作模式)。

Nordic半导体公司开发了一种私有的无线解决方案，称为nRF24xx。这是一种系统级芯片器件，由无线收发器、8051微控制器、4通道12位ADC和各种标准接口组成，采用0.18微米CMOS工艺制造。nRF24xx使用GFSK调制机制(与蓝牙非常相似)，提供1Mbps的标称数据速率。为尽可能提高无线性能、减小功率预算，它的开销很少。nRF24xx产品引入了基于硬件的物理层协议处理，在正常工作时它是透明的。图1(a)和(b)对ZigBee协议堆栈和这个私有的解决方案进行了比较。

图1(a)：私有的ZigBee协议堆栈。

这种私有无线解决方案被设计成小规模嵌入式系统开发人员非常熟悉的一种方案。采用这种硅片无线电路开发无线应用的工程师，将很容易使用器件提供的SPI接口。该器件采用一个120b寄存器建立通信链路，支持各种功能。集成的微处理器仅用于一次性设置工作参数，随后它就主要用于同步锁定目标地址和实际数据。更重要的是，由于该设计无需得到标准认证，因而能显著缩短产品上市时间，尽管这种产品必须符合相应通信权威机构的要求，如欧洲的ETSI或美国的FCC。但不管是不是标准的无线通信产品，这都是起码的要求。

图1(b)：Nordic Semiconductor公司的nRF协议堆栈。

蓝牙、ZigBee和私有无线解决方案采用各不相同的数据包结构。私有无线方案的数据包结构中的数据包是32位，一次按80位进行消息传输，因此开销是48位，数据包的数据效率是40%。相比之下，蓝牙要求一次按160位传输，开销是128位，因此效率只有20%。传送数量完全相同的数据，ZigBee器件总共需要152位，因此它的效率也只有21%。

私有无线解决方案采用了与蓝牙相同的信道机制，它们都在2.4到2.483MHz之间使用多达83个1MHz的信道，或更精确地讲是在2.402GHz到2.483GHz之间分成75个1MHz信道，上下保护带分别为3.5MHz和2MHz。相比之下，ZigBee只有16个信道(图2)。当受到同样工作在拥挤的2.4GHz频段的其它设备干扰时，蓝牙和私有无线方案就有更多可重新分配的频率(见附录“处理干扰”)。

图2：ZigBee共16信道，间隔为5MHz，而Nordic方案采用类似蓝牙的83个1MHz信道。

带宽问题

工作在免许可ISM2.4GHz频段的无线鼠标是一个简单、低功率、成本敏感型无线应用的经典用例，中国制造商正在大量生产这种产品用于国内市场和出口。下面将对采用私有芯片，以及采用ZigBee和蓝牙解决方案的产品设计做一下比较。

无线鼠标的典型工作方式是10%的时间处于工作模式，90%的时间处于睡眠模式，工作时每8ms完成一次收发通信。因此采用私有无线方案的净数据速率为0.1x(125x80bps)=1kbps。

采用ZigBee方案的净数据速率为0.1x(125x152bps)=1.9kbps，接近私有无线方案的两倍。另外，ZigBee的最大速率是250kbps，而私有无线方案的最大速率可达1Mbps，因此可以看到完成同样的数据传输任务，ZigBee的带宽要求是私有无线方案的8倍。

因为蓝牙必须维持同步以避免产生重新链接的时延，它需要每675微秒发送一个160位的数据包来保持链接，而无论鼠标是否被使用。如上所述，虽然不用同步也能保持链接，但会导致最长达3秒的重新捕获时间，这对用户来说几乎是不现实的。

图3：典型的无线鼠标发送数据包。

延长电池寿命

图4a和图4b分别显示了采用ZigBee方案和私有无线方案的无线鼠标到USB适配器的通信序列图。

图4a：ZigBee无线鼠标通信序列图。

私有无线方案的序列图表明，器件的工作时间为195+16+80+202+49+16微秒=558微秒。对典型的8ms通信周期来说，实际的占空比为1：14.3。因为在8ms通信周期内的工作时间非常少，所以在“连续”使用时的平均消耗电流仅为855毫安。

图4b：采用Nordic nRF解决方案的无线鼠标通信序列图。

假设私有无线方案使用单节AA电池(容量为200mAh)供电，大约连续工作2350个小时，对普通用户来说这相当于工作一年(包括鼠标光传感器要求的电池功耗，其中无线链路占用95%的功率预算，微控制器消耗剩下的5%功率)。

从ZigBee方案的次序图可看出，器件的工作时间为192+200+192+26+608+192+352+10微秒=1.772毫秒。对于典型的8ms工作周期，实际的占空比为1：4.5，这比私有无线方案要高得多(主要是由于为了达到与私有无线方案可比的性能，它的发送时间要长8倍)。在通信期间，ZigBee的平均消耗电流为4mA。这意味着采用单节AA电池可以连续工作500小时，对普通用户来说相当于2.5个月。

虽然蓝牙设备在工作时平均电流也为4mA，但为了时刻保持同步，即使在“空闲”模式下它也要消耗8mA的电流(私有无线解决方案的等效待机电流为10.2毫安，ZigBee为351毫安，见表1)。因此，蓝牙鼠标电池的使用时间不会超过一个月。

表1：Nordic nRF2401、ZigBee收发器和蓝牙收发器在各种工作模式下的电流消耗。

请注意，电池寿命是基于序列图所示的8ms总周期(通信周期)的比例，并根据每种模式下的平均消耗电流计算出来的，适合连续使用的场合(即每秒125个数据包，鼠标常开)。就像在上述带宽要求中看到的那样，无线鼠标通常不是工作在这种方式，约90%的时间处于空闲状态。此时私有无线方案和ZigBee将进入待机模式，消耗电流仅数毫安，而蓝牙仍要消耗数毫安的电流，主要原因是蓝牙器件必须保持工作状态才能确保通信链接一直有效，而其它无线解决方案则没有这个要求。

非标准无线技术的前景

蓝牙和ZigBee展示了如何让电子企业合作创建可确保全球市场兼容的工作标准。两者都是优秀的技术，在它们各自定义的领域可以发挥重要作用。只需要将蓝牙耳机连到手机上就能享受到这种非常实用的无线技术带来的好处。

尽管如此，基于标准的技术也有缺点。首先，为满足标准，在初始设计和兼容性测试中必须付出高昂的NRE费用。其次，就其字面意义而言，标准必须是“通用性极强”的解决方案，但由于竞争对手也掌握相同的技术，所以很难使产品在竞争激烈的全球市场中实现差异化。最后，标准解决方案很少有机会实现足够的灵活性，例如，无线产品的功耗降低空间就极其有限。

本文讨论的无线鼠标应用表明，对要求长电池寿命、低占空比但可靠的无线通信的产品来说，私有无线解决方案要好于蓝牙和ZigBee。私有无线解决方还适合采用相同设计准则的其它应用，例如无线游戏控制器，以及心跳传感器和运动“计算机”之间的无线通信。随着全球无线技术的不断普及，在下一代无线通信链路中采用非标准无线技术将是非常有利的。

附：处理干扰

蓝牙、ZigBee和私有无线技术都能在一定程度上减少工作在相同频段的其它无线设备发出的干扰。

蓝牙采用FHSS(跳频扩频)技术，可确保所有79个1MHz信道在时间上被均匀覆盖，以避免一致性信道干扰。

ZigBee在16个频段上采用DSSS技术，因此更擅长于处理间歇性窄带干扰。如果存在其它的802.11b/g设备，ZigBee就更容易受到干扰，也许只能等待其它设备停止传送数据。

Nordic nRF方案采用更多的方法来避免干扰。因为它的输出功率适中，所以干扰不太可能发生。为了降低功耗和复杂性，Nordic nRF方案不使用扩展频谱机制，只采用单频传送，直到达到能发生干扰的包冲突门限。对器件执行简单的单字节SPI指令就能完成信道的再分配。

对非活动的应用来说，79个1MHz信道可以实现充足的一次性再分配，从而远离其它设备的发送频率。即使在像机场“热点”这样的地区，频谱再分配的频率也相对较低，一般在分钟或小时的数量级。

在无线鼠标的设计案例中，共信道抑制一般为-6dBm。因此，只要从鼠标(TX)到USB适配器(RX)的距离小于干扰源到适配器的距离的一半，通信一般不会被中断,这是因为6dB在无线领域中相当于双倍的距离(图A)。

图A：由于低RF输出功率限制了相邻接收器收到的信号强度，所以相邻无线鼠标之间的干扰很小。

作者为Nordic半导体公司现场应用工程师