选择合适的无线技术（二）：共存性、功耗和安全性

在本系列文章的第一部分，我们探索了为设计选择理想的无线技术的几个考虑因素。我们评介了授权和免授权频谱，以及几个常见的频段。我们还探讨了通信距离和影响通信距离的各种因素，如输出功率和接收器的灵敏度。第一部分最后讨论了网络拓扑，探索了网状网络与点对多点以及一些相关的取舍，如成本、功耗和延迟。本文将讨论其他考虑因素，包括共存性、功耗和安全性。不知您对这个术语是否熟悉，共存性指的是设备需要在一个共同的频段内共存并一起工作。

1   共存性

正如第一部分文章中所讨论的，大多数无线方案都在使用免授权频段的共享频谱。因此，这些频带中的频段和信道面临着来自各种类型的无线电和信号的压力。无线电相互干扰的问题被称为共存性。这个话题在应用注释“Coexistence in 2.4 GHz（吉赫兹）”中进行了深入探讨，所以这里只提供一个简单的摘要。

2.4GHz Wi-Fi^®（无线高保真）网络的高发射功率和相对较宽的带宽，会干扰Bluetooth®（蓝牙）Low Energy（低功耗）联接和来自连接标准联盟®（前身为Zigbee 联盟^®）的Green Power™（绿色能源）协议。蓝牙LE 具有跳频的能力，每次都能检测和保留繁忙信道的信息并避开这些信道。这被称为自适应跳频扩频（AFHSS），在有Wi-Fi 和Zigbee^®（紫蜂）数据包的情况下，大大提高了蓝牙低功耗的可靠性。

Zigbee 技术不提供这种功能，但它可被分配到一个不与Wi-Fi 信道重叠的信道。一般来说，蓝牙LE（低功耗）和Zigbee 网络可共存。一个Wi-Fi 网络需要由共存机制主动管理，或者需要设置Zigbee 和Wi-Fi 之间的信道，以尽量减少重叠。参考图1 和图2 所示。

图1 简化的频率图

图2 简化的频率图的时域视图，显示了蓝牙LE信道如何跳频以及跳过占用的信道

市场的趋势是在芯片上集成这些不同的无线电，因此共存性是个系统设计的问题，硬件和软件都可以充分优化，以提供同时使用这些不同技术的最佳体验。不过，也有未集成无线电的软件方案。

如果共存不当，蓝牙LE 上的音频会出现停顿，Zigbee 数据包需要重试，整个Wi-Fi 的吞吐量也会下降。成功的共存将减少冲突，并对来自不同协议的信息进行优先排序，使所有协议的整体服务质量良好。共存是很容易被视为理所当然的，因为当它正常工作时，它是不被注意的。

2   功耗

功耗是最重要的考虑因素之一，有一些基于物理学的基本限制和取舍，决定了实施各种协议所需的功耗。

发射器，也叫射频(RF) 功率放大器，是系统中功耗最大的部分。RF 功率放大器是按其工作等级来描述的。A、B、AB 和C 类被认为是线性放大器，功率效率随着放大器等级的提高而提高。例如，C 类放大器比AB 类效率更高。尽管效率提高了，但线性度会随着等级的提高而降低。D、E、F、G 类等是非线性放大器，基本上是带有谐振负载的开关。如果同时使用振幅和相位调制，则需要一个线性PA。然而，对于恒定的振幅调制，由于开关可以在电流几乎为零时发生，因此使用一个开关放大器来最大化功率效率。

由于这些不同的工作模式和众多考虑因素，示例中假设一个理想的A 类放大器，其效率为50%。一个功率放大器晶体管向50 Ω（欧姆）负载（天线）提供+30 dBm（分贝毫瓦），效率50%，需约200 mA（毫安）电流。这还没有考虑到其他任何系统功耗，只是功率放大器晶体管所需的功耗（被称为漏极能效）。发射器还必须非常迅速地开关，并有准确的上升/ 下降时间。因此，细心的电源设计和去耦至关重要，特别是在电池供电的系统中，其能量有限，承受大的开关瞬变的能力较小。

表1 PA晶体管功耗与输出功率的关系，50 Ω负载，50%漏极效率

等式：

a）漏极效率定义

b）把提供的功率从dBm 转换成mW

c）使用假设的漏极效率计算DC 功耗（电源）

d）把DC 功耗转换成DC 电流

关于功率效率，最后要指出的是，RF 工程师经常使用另一个指标，即附加功率效率（PAE）。这将驱动功率放大器（PinputmW)）所需的功耗考虑在内。功率放大器（PA）有大型晶体管，预驱动电路会消耗大量的功率。

一般来说，协议的性能越高，功耗就越大。例如，一个4×4 的MIMO 系统需要四个平行的接收和发射链，这使得功耗几乎翻了四倍。这并不是一对一的关系，因为有些块是在链之间共享的，但由于增加了信号链，功耗仍然较高。

如果您想运行电池供电的系统，实际通话时间和占空比也是关键的考虑因素。对于像蓝牙LE 温度传感器信标这样占空比非常低的应用，使用一节CR2032 纽扣电池可工作达10 年以上。这类应用的典型工作时间占空比约为1%，这意味着系统99% 的时间是空闲的。因此在评估或设计电池和免电池（能量采集）工作时，睡眠或闲置电流是个关键参数。

其他电源当然是主电源或以太网供电（PoE）。举例来说，基于Wi-Fi 的网络摄像机通常由PoE 供电。

一些工程师在设计那些接通几乎无限制的能源如市电的产品时，想要不考虑耗电问题，但这并没那么简单。各国政府正越来越多地对设备的功耗进行审查和监管。随着越来越多的产品接通电源，增量的电力节省会产生巨大的规模影响。为了充分的经济和社会效益，应该始终将功耗降到最低。另一个可能不太明显的功耗考量是网络拓扑本身。

3   安全性

安全并不是真正的考虑因素，而是个要求。每个协议都至少有内置的安全性。安全这个话题很难甚至不可能在像这样的综述文章中用一个简短的段落来概括。但下面是需要考虑的几个突出点。

任何无线网络最易受影响的时刻是配对或上机的过程。这时，安全信息需要在节点之间进行空中交换，而使得网络最易受影响。一个常见的方案是使用一个带外（OOB）协议。例如，为了调试一个新的Wi-Fi 路由器，可能会有一个二维码，通过蓝牙LE 触发一个配对过程。蓝牙LE 也是个很好的选择，因其通信距离有限，使得物理距离成为黑客的另一个障碍。当然，手机也可联接到云端，在那里可以检索到安全信息。在一些系统中，配对是通过一个专有的协议链接完成的。

在配对之后，最基本的安全是对数据有效载荷进行加密，这已经做了很长时间了。然而，现在在一些协议中，如Wi-Fi，管理帧和协议开销也必须被加密。即使这样还是不够的，还必须有动态加密。如果没有动态加密，黑客可以非常有效地探测到帧，并对协议进行反向工程，或作为中间人欺骗网络。动态加密的密钥会随着时间的推移而到期，因此，即使黑客进入了，他们也无法在不重新黑客的情况下回到过去或向前。有了动态加密，黑客还需要与实际的无线电进行交互，而不是像过去常做的那样在离线情况下对系统进行反向工程，离线的反向工程要快得多。幸运的是，现在这已经不可能了。

安全方案也必须与被保护的内容的风险相适应。增加安全性会增加成本和维护费用，应该与被保护的数据价值经济地匹配。举个例子，Zigbee 技术主要是个信任根系统。当委托时，协议假定设备之间有一个信任根。这是个非常合理的假设，因为Zigbee 网络没有联接到互联网，是本地网络，受系统管理员控制。

蓝牙LE 经常被用于不需要完全安全的非常简单的节点。您可能不在意其他人是否能访问您的客厅温度传感器数据，但您可能会非常关注是否有人能够入侵或欺骗易腐物品如重要药品的冷链标签。因此，蓝牙LE 根据不同的用例和被通信的数据价值，提供可扩展的安全功能。

由于Wi-Fi 是基于IP（互联网协议）并联接到互联网，它必须具有尽可能高的安全级别。有不同级别的安全方案，对应特定应用的风险水平。例如，家庭网络的要求比银行或需要企业方案的办公大楼的网络更宽松。

最后，关于安全问题，需要注意的是安全设计是永不休止的。黑客和安全技术都在不停地玩猫捉老鼠的游戏，这永远不会改变，所以重要的是您的设计有一些更新软件的机制，以便系统能够适应未来，并尽可能地保持安全。

4   总结

这系列文章包含两部分，探讨了在设计无线产品之前必须了解的各种系统级考虑因素，包括通信协议和互操作性要求、频段和共存、通信距离、功耗、网络拓扑和安全性。

每种技术在生态系统中都有用武之地；只是要知道什么最适合您的设计。安森美无线方案涵盖广泛，从中短距离到长距离及以上。无论您是开发简单的温度蓝牙LE 传感器信标还是企业级的Wi-Fi，我们都能助您解决所有的无线设计挑战。

（本文来源于威廉希尔 官网app 杂志2022年2月期）