三点抓住智能电表内Sub-GHz无线通信设计考量重点

时间： 2016-08-25 来源：Silicon Labs

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在过去的十年之中，由于全世界范围内对能源环保问题的持续关注。因此，比起传统仪表，能够帮助管理供电和功耗的智能电表（SmartMeter）正获得越来越多的应用。设计智能电表时，无线通信技术的选择是十分关键的，需综合考量。对于像是回程通信这样从仪表到数据集中器再到其他仪表的长距离应用来说，Sub-GHz技术是十分合适的，因为其优越的传播特性，长距离性能，低功耗操作和广泛的接入性。

在接下来的几年中，大量的智能电表预计将会在全世界范围内部署。根据Pike Research的报告，在中国，到2020年时安装的智能电表数量将会达到3亿7,700万部。智能电表的部署根据不同的有线和无线技术分门别类，而其中一大部分将会是在470MHz-510MHz波段下使用Sub-GHz无线设备。

智能电表使用的Sub-GHz无线技术
今天，Sub-GHz无线技术存在于几乎所有的智能电表中。最普遍的Sub-GHz连接的应用是通信，用于电表之间，从电表到数据收集器或集中器。下图显示了典型的无线智能电表系统，该系统连接消费者到用户端。

让我们一起来看一下智能电表Sub-GHz无线解决方案设计的关键考量：
1）无线覆盖范围
在任何应用中，使用Sub-GHz无线技术的一项主要优势，是在频率波段上的长覆盖距离能力。长距离系统减少了部署的成本，可以部署尽量少的集中器或重复器，但服务同样数量的智能电表。作为经验法则，增加6 dB的链路预算将会使室外，无较大阻隔环境下的覆盖范围加倍。因此，在其他条件相同的情况下，169 MHz波段达到的覆盖范围比868/915MHz要好。

增加发射功率可以很容易的增加覆盖范围，但是这个方法会显著增加功耗。多个无线IC提供了使用集成功率放大器的解决方案，PA的效率是关键的区分因素。例如，在915 MHz频率波段下，芯科科技（SILICON LABS）的Si446x EZRadioPRO收发器仅需要18mA来输出+10dBm或85mA来输出+20dBm。下表显示了根据现有的收发器解决方案，不同数据传输速率下理想的链路预算。

2）超低功耗
另一个无线智能电表设计的关键考量因素是功耗。低功耗操作对电池供电的水气仪表十分重要，对用电的仪表来说重要性略低。电池供电的仪表通常使用锂电池，需要以较低的占空比持续运作15-20年。影响系统的功耗的另一个因素是无线收发器从典型的数据包处理功能卸载主机MCU能力，例如前同步码和同步字检测，曼彻斯特编码和CRC运算。

当与仪表通信是周期性的，并使用非常低的占空比时，低的待机和接收功率会带来很多好处。Silicon Labs EZRadioPRO收发器，如下图所示，在待机状态下仅消耗50 nA。

3）合规
使用Sub-GHz无线技术的最大挑战之一是合规。2.4 GHz波段全球可用，仅需要根据区域的规范要求调整发射功率。但是，Sub-GHz频率需要根据区域而变化，使得其在软硬件设计中挑战更多。ISM波段，通常在Sub-GHz中操作，是无需许可的。每个国家独立分配频率，下表显示了通用的智能电表频率。

多数智能电表设计针对每个地区或频率波段拥有独有的硬件，而不是以一款通用的设计满足全球范围的需求。

除此之外，设计者必须了解多个无线标准和工业联盟，比如IEEE802.15.4（g/e）, Wireless M-Bus, ZigBee和Wi-SUN。所有的一切都表明业界正朝着基于IEEE 802.15.4 (g/e) 的标准解决方案的方向发展。IEEE802.15.4(g/e)规定了物理层，其通常为无线收发器本身支持。

此种情况下，通常有专有软件栈，或混合解决方案使用部分IEEE802.15.4，以及上层专有的实现。Silicon Labs提供了基于标准的和专有的堆栈，优化来在MCU和无线收发器上运行，同时还允许自定义。

结语
覆盖范围，功耗和合规是定义Sub-GHz无线设计的关键因素。在几十纳安和更快的状态过渡时间下的快速信号检测，超低功耗待机电流，与一个强大的软件解决方案相结合，是新的方法的基石，可以在系统级上改善智能电表效率。

当欧洲和美国在领导部署智能测量系统时，市场的最大份额的增长来自新兴经济体，如金砖四国。中国和印度，世界上人口最为稠密的国际，有着安防，低功耗测量解决方案方面的巨大的增长需求。他们会不断的针对智能电表部署智能Sub-GHz无线通信。

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Roonie Lv7. 资深专家 2018-01-30

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梅西 Lv6. 高级专家 2017-12-25

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用户50283199 Lv7. 资深专家 2017-12-23

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terrydl Lv9. 科学家 2017-12-18

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