跳頻與擴(kuò)頻：無(wú)線(xiàn)機(jī)器對(duì)機(jī)器接口

不利之處

擴(kuò)頻技術(shù)并不能帶來(lái)無(wú)限可用的帶寬。這些技術(shù)讓發(fā)射機(jī)共享帶寬，但每增加一個(gè)發(fā)射機(jī)都會(huì)降低其它發(fā)射機(jī)的數(shù)據(jù)速率和傳輸范圍。如果所有的發(fā)射機(jī)使用相同的協(xié)議，則對(duì)兩者都會(huì)有影響。2.4GHz ISM 頻段提供了干擾如何使所有的設(shè)備在此頻段上無(wú)法工作的例子（參考文獻(xiàn)4）。未經(jīng)批準(zhǔn)的 ISM 頻段在設(shè)計(jì)上就包括了干擾源。這些未批準(zhǔn)的2.4GHz 頻段的開(kāi)發(fā)人員進(jìn)行這種設(shè)計(jì)，是因?yàn)槲⒉t磁控管在此頻率上工作。這些微波爐對(duì)無(wú)線(xiàn)干擾會(huì)有較小但值得重視的影響。更麻煩的是，傳導(dǎo)熱量和融化的硫燈在此頻段中提供了更多與通信無(wú)關(guān)的干擾。這些干擾源很受關(guān)注，允許使用的2.4GHz 頻段有很多，由于FCC（美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)）和其它管理機(jī)構(gòu)允許多協(xié)議，使在某些領(lǐng)域的連接并不可靠。這些協(xié)議包括藍(lán)牙協(xié)議采用的FHSS（跳頻擴(kuò)頻技術(shù)）。女影星兼通信技術(shù)發(fā)明人Hedy Lamarr 在飾演鋼琴師時(shí)發(fā)明了跳頻無(wú)線(xiàn)電技術(shù)（圖5 和參考文獻(xiàn) 5）。在二戰(zhàn)期間，她認(rèn)為秘密電臺(tái)通信能在戰(zhàn)爭(zhēng)中起重大作用。她覺(jué)得接收機(jī)可以像發(fā)射機(jī)一樣跳到不同的頻率，正如所飾演鋼琴師彈琴鍵一樣她的手指可跳到不同的琴鍵。這種認(rèn)識(shí)實(shí)現(xiàn)了電臺(tái)間可互相通信，并能防止竊聽(tīng)。

藍(lán)牙協(xié)議將83 MHz 寬的2.4GHz ISM 頻段分成79個(gè)1MHz 的片段。藍(lán)牙設(shè)備可在32個(gè)頻率間以最大1600 次跳/秒的速率跳躍。兩個(gè)并列的藍(lán)牙設(shè)備互相干擾的機(jī)會(huì)只有1/79了。當(dāng)這種情況出現(xiàn)時(shí)，高級(jí)協(xié)議要求系統(tǒng)重新發(fā)送丟失的數(shù)據(jù)包。如果藍(lán)牙設(shè)備跳到ZigBee 或Wi-Fi LAN的頻率中，也會(huì)干擾這些設(shè)備。

客戶(hù)無(wú)法滿(mǎn)足的帶寬需要促成了能提供11Mbps 速度的802.11b 標(biāo)準(zhǔn)。這些系統(tǒng)使用DSSS 技術(shù)，其中無(wú)線(xiàn)電使用83MHz 的22MHz 到2.4GHz ISM 頻段。PRBS（偽隨機(jī)二進(jìn)制序列）相位在該頻段中調(diào)制頻率。與FHSS不同，DSSS 繼續(xù)轉(zhuǎn)變而不是在離散的頻率上跳躍。 手機(jī)實(shí)施DSSS 允許多個(gè)發(fā)射機(jī)在相同的頻段工作。可惜，Wi-Fi LAN使用的11 位Barker 代碼提供了不充足的代碼增益以允許CDMA（碼分多址），盡管高級(jí)協(xié)議實(shí)施了CSMA（載波偵聽(tīng)多路訪(fǎng)問(wèn)）。發(fā)射機(jī)檢測(cè)其它發(fā)射機(jī)等待的時(shí)間，直到信道寂靜后，才能開(kāi)始傳輸。802.11b的帶寬分別只允許三個(gè)到四個(gè)設(shè)備在那些受FCC 和歐洲標(biāo)準(zhǔn)約束的國(guó)家中同時(shí)運(yùn)行。如果有最大數(shù)量的設(shè)備在工作，就會(huì)出現(xiàn)對(duì)藍(lán)牙、WirelessUSB、無(wú)繩電話(huà)和ZigBee 的干擾。

無(wú)線(xiàn)USB 可以是在3GHz及更高頻率上的寬帶無(wú)線(xiàn)電，但Cypress Semiconductor 還開(kāi)發(fā)了2.4GHz Wireles sUSB 標(biāo)準(zhǔn)。像藍(lán)牙一樣，這種標(biāo)準(zhǔn)將2.4GHz 頻段分成了79個(gè)1MHz 寬的頻段，Cypress使用DSSS 而不是FHSS 來(lái)調(diào)制信號(hào)。連接并不會(huì)跳躍 79 個(gè)頻段，而只在一個(gè)頻段上工作。與這個(gè)實(shí)施相關(guān)的問(wèn)題是頻率捷變，如果不能在一個(gè)頻率上建立或維持良好的連接，就會(huì)跳到其它頻率。WirelessUSB 的開(kāi)發(fā)人員將其目標(biāo)定為代替線(xiàn)纜上，它具有較低數(shù)據(jù)速率的HID（人機(jī)接口設(shè)備）。2.4GHz ZigBee協(xié)議將該頻段分成16個(gè)3MHz 寬的信道，每隔5MHz就有一個(gè)。采用DSSS 來(lái)調(diào)制信號(hào)，并不在16 個(gè)信道間跳躍，也不提供頻率捷變。無(wú)繩電話(huà)和嬰兒監(jiān)視器使用2.4GHz ISM 頻段。無(wú)繩電話(huà)可以使用FHSS 或DSSS。他們一般將2.4GHz 頻段分成10 到20 個(gè)信道。電話(huà)很少有頻率捷變，但允許用戶(hù)選擇一個(gè)工作信道，以避免噪聲。

圖6 顯示了2.4GHz 頻段中的所有無(wú)線(xiàn)電和協(xié)議。如果將頻譜當(dāng)作一個(gè)生態(tài)系統(tǒng)，可以將Wi-Fi 無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng)視為食物鏈頂部的獅子。它們占用了大量的帶寬，在忙時(shí)會(huì)吞沒(méi)該區(qū)域的其它傳輸信號(hào)。藍(lán)牙設(shè)備像昆蟲(chóng)在其79 個(gè)1MHz 的頻段中游 走。它們到處游蕩并且在不確定的時(shí)間出現(xiàn)，取決于是否有帶耳機(jī)的人行走。如果藍(lán)牙設(shè)備是昆蟲(chóng)，則ZigBee 就像土撥鼠，不時(shí)抬起頭看看春天是否來(lái)到了。它占用了頻段的較寬部分，但使用并不頻繁。由于土撥鼠并不敏捷，且其洞穴總是在相同的頻率上。Cypress WirelessUSB 就像鬣狗，一個(gè)敏捷的獵手，總是翻找清晰的頻率來(lái)工作。一旦它發(fā)現(xiàn)了頻率，就停留在那里，連續(xù)地發(fā)出低速率的信息。生態(tài)系統(tǒng)的最大問(wèn)題是無(wú)繩電話(huà)。無(wú)繩電話(huà)就像老虎，可以吞掉一切生物。它們發(fā)送強(qiáng)大的信號(hào)，淹沒(méi)了叢林中所有的其它動(dòng)物。因此，幾個(gè)Wi-Fi LAN 生產(chǎn)商建議客戶(hù)不要使用無(wú)繩電話(huà)。未批準(zhǔn)的2.4GHz 頻段并不是無(wú)人管理的，F(xiàn)CC只確定了其電源等級(jí)。DSSS與FHSS調(diào)制方案的混合會(huì)對(duì)兩種設(shè)備造成某些問(wèn)題。

兩種緩和因素為此帶來(lái)希望：地區(qū)與某些無(wú)線(xiàn)設(shè)備不常使用的傳輸。即使能量較低的藍(lán)牙發(fā)射機(jī)也比20 碼遠(yuǎn)的無(wú)線(xiàn)LAN功率大。Dust Networks的工程師正努力克服這兩個(gè)缺點(diǎn)。Dust并不能?chē)?yán)格地實(shí)現(xiàn)ZigBee標(biāo)準(zhǔn)，因?yàn)樵摴咎峁┝祟l率捷變，Dust的設(shè)備可跳到不同的ZigBee頻率以獲得一個(gè)清晰的信道。Texas Instruments 也作了類(lèi)似的努力。該公司在2005 年并購(gòu)了ZigBee 的先驅(qū) Chipcon。TI的新 ZigBee 發(fā)射機(jī)能以比ZigBee規(guī)范更高的敏感度和選擇性來(lái)擴(kuò)展無(wú)線(xiàn)電傳播范圍和抑制任何干擾。另一方法是使用一個(gè)不太擁擠的頻段。 所有的ZigBee廠(chǎng)商的設(shè)備可以工作在800MHz 和900MHz 頻段，而不是擁擠的2.4GHz 頻段。較低的頻率可提高傳播范圍。Zarlink 提供了不可移植的無(wú)線(xiàn)電芯片ZL70101，使用400MHz 到405MHz 的MICS（ 醫(yī)療植入通信服務(wù)）頻段。設(shè)備以MAC（介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)控制）提供了800kbps 數(shù)據(jù)速率，其中包括Reed-Solomon編碼FEC（向前糾錯(cuò)）和CRC （循環(huán)冗余校驗(yàn)） 錯(cuò)誤檢測(cè)和重新發(fā)送來(lái)實(shí)現(xiàn)可靠的數(shù)據(jù)鏈路。

一個(gè)創(chuàng)新企業(yè)發(fā)現(xiàn)了構(gòu)建光控產(chǎn)品的市場(chǎng)比ZigBee支持者所構(gòu)想的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)更為簡(jiǎn)單。PulseSwitch Systems 的光控開(kāi)關(guān)(Lightning Switch)使用壓電驅(qū)動(dòng)的發(fā)射機(jī)將代碼發(fā)送到500W 交流線(xiàn)路控制器，控制器使用fob與遙控車(chē)庫(kù)門(mén)采用的434MHz 頻率。發(fā)射機(jī)不需要電池，因?yàn)橛脩?hù)在撥動(dòng)開(kāi)關(guān)時(shí)即可產(chǎn)生能量?！半m然某些遙控車(chē)庫(kù)門(mén)開(kāi)啟系統(tǒng)和遙控車(chē)閂鎖系統(tǒng)使用了FCC分配的相同頻率，但我們的發(fā)射機(jī)不會(huì)打開(kāi)別人的車(chē)庫(kù)或車(chē)輛，”P(pán)ulseSwitch 工程部總監(jiān)Jeff Rogers 說(shuō)?！拔覀兪褂靡豁?xiàng)獲得專(zhuān)利的ID 代碼系統(tǒng)，與車(chē)鎖和遙控車(chē)庫(kù)門(mén)開(kāi)啟系統(tǒng)所用的方式不同?！庇?.68 億個(gè)代碼可供使用，他說(shuō)，在相同的房間里可以有相同號(hào)的發(fā)射機(jī)接收機(jī)對(duì)，但它們彼此間或與其它工作于ISM頻率上的設(shè)備間不會(huì)互相干擾。

試想有一種應(yīng)用，到了排放檢測(cè)的時(shí)候，DMV （機(jī)動(dòng)車(chē)管理局）可以用來(lái)與你的車(chē)輛通信。車(chē)輛就會(huì)采集并傳回污染性能數(shù)據(jù)（無(wú)須人為干預(yù)），實(shí)時(shí)通過(guò)路況條件和驅(qū)動(dòng)周期數(shù)等。您就不必再去做排放檢測(cè)了。然而，看一看藍(lán)牙技術(shù)應(yīng)用經(jīng)歷了一個(gè)漫長(zhǎng)的過(guò)程才為人們接受，現(xiàn)在已成為人們生活中必不可少的一部分。EDN 責(zé)任編輯 Ron Wilson 指出，“可以從先驅(qū)者背后的箭頭上認(rèn)出他們?！盧icochet mobile 無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)為沒(méi)有成功的早期無(wú)線(xiàn)網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。M2M 的現(xiàn)實(shí)既不是可憐的失敗也不是巨大的成功，而是處于兩者之間。當(dāng)有些人發(fā)明了殺手級(jí)應(yīng)用時(shí)，我們都會(huì)一拍腦門(mén)問(wèn)道，“ 為什么我沒(méi)有想到？”

參考文獻(xiàn)

1.Gershenfeld,Neil,andDannyCohen,“Internet?:InterdeviceInternetworking,”TheMITCenterforBitsandAtoms,SunMicrosystems,Aug14,2006.
2.Dipert,Brian,“Rocketfish:SpectrumShark,”EDN,May6,2007.

3.VanHorn,John,“SystemDataShowHalfofMeterIncomeGoesUncollected,”P(pán)arkingToday,pg24,March2007.
4.Burns,John,RichardRudd,andZoranSpasojevic,“Compatibilitybetween無(wú)線(xiàn)communicationISMsystemsinthe2.4GHzfrequencyband,”AegisInc,June24,1999.
5.Markey,Hedy,andGeorgeAntheil,SecretCommunicationsSystem,Patent2,292,387,August1942.