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低功耗广域网基础知识:电池寿命长的原因

2021-10-15 09:36 来源:物联之家网

我们都知道低功耗广域网 (LPWAN) 的一个有趣特性是其超低功耗。大多数低功耗广域网技术声称它们可以维持 10 年以上的电池寿命——这使它们成为电池供电物联网传感器网络的首选连接类型。

但是,低功耗广域网是如何实现如此长的电池寿命的呢?在本文,我们将介绍 3 种主要方法。

睡眠模式

低功耗广域网终端节点被编程为仅在需要传输消息时才处于活动状态。在这段时间之外,收发器关闭并进入深度睡眠模式,从而消耗极少的电量。假设一个节点一天只需要发送很少的消息(上行链路),那么电量消耗非常低。

在双向通信中,终端节点必须处于唤醒状态,以监听从基站发送的下行链路消息。然后可以设置侦听时间表,以便节点仅在预定义的时间醒来以接收下行链路消息。或者,可以协调节点和基站,以便在上行链路到达后不久发送下行链路消息。这有助于减少节点需要“开启”以接收数据的时间。

异步通信

大多数在未授权频谱中运行的低功耗广域网使用轻量级媒体访问控制 (MAC) 协议进行异步通信。比如常用的ALOHA随机接入协议。在ALOHA系统中,节点随时访问信道并发送消息,而无需向基站发信号请求许可,也无需感知其他节点的当前传输以进行协调。

这种随机接入协议的主要优点是不需要复杂的控制开销。这大大降低了功耗并简化了收发器设计。不利的一面是,异步通信可能会极大地阻碍可扩展性。这是因为节点之间的数据传输不协调,增加了数据包冲突和数据丢失的机会。

星型拓扑

由于物理距离长,低功耗广域网可以部署在星型拓扑中,同时仍然有效地覆盖地理上的广阔区域。如前一篇文中所述,单跳星形拓扑比短距离无线网络的网状拓扑节省了多个数量级能耗。

不同低功耗广域网技术的电池寿命是否相同?

答案肯定是否定的。事实上,不仅在不同的低功耗广域网技术之间,即使在同一技术的不同部署模式之间,功耗和由此产生的电池寿命也会有很大差异。下面我们来看两个主要因素。

首先,“广播”无线电时间——传输过程中功耗的主要指标——在不同的低功耗广域网系统之间存在很大差异。需要明确的是,传输是终端节点最耗能的活动。广播时间是消息从节点传播到基站的总时间。在其他条件相同的情况下,广播时间越短,功耗越低。如果同一消息发送 3 次以实现冗余,则其总广播时间和功耗将增加三倍。

其次,并非所有低功耗广域网都采用上述所有 3 种方法的组合。例如,为了提高服务质量,蜂窝低功耗广域网采用同步协议,由此终端节点必须向基站发信号请求允许发送消息(即握手)。除了由于过多的开销而施加更高的能耗要求之外,这个过程还使得每次传输的功耗和总电池寿命不可预测,这是因为很难预测在允许发送消息之前需要执行多少次握手。

经ETSI认可,电报分割引入了一种独特的传输方法,可在解决服务质量和功耗之间权衡的同时,最大限度地减少广播时间。

最后,对于电池寿命而言,10年甚至20年实际上是一个非常长的时间,但要实现这一点,需要充分考虑多种因素。除了消息频率和所用电池类型(最好是自放电率低的电池)等一般条件外,归根结底,选择正确的低功耗广域网技术确实很重要。

责任编辑:王泽良