選擇合適的無(wú)線(xiàn)技術(shù)（一）：頻譜、通信距離和網(wǎng)絡(luò )拓撲

當今有許多不同的無(wú)線(xiàn)標準和協(xié)議在使用，要為任何特定的應用選擇合適的技術(shù)可能很困難。在這篇文章中，我們將探討一些需要考慮的關(guān)鍵標準，并評介四個(gè)流行的選項：Wi-Fi^? 技術(shù)（無(wú)線(xiàn)保真）、藍牙低功耗(Bluetooth^? Low Energy) 技術(shù)、專(zhuān)有射頻(RF) 和來(lái)自連接性標準聯(lián)盟(Connectivity Standards Alliance^?) 的Green Power? 協(xié)議。

圖1 無(wú)線(xiàn)技術(shù)考量因素

在選擇無(wú)線(xiàn)技術(shù)時(shí)，需要考慮許多不同的因素。這些考量因素往往是相互有關(guān)聯(lián)的，因為要考慮到前后兼容的權衡。有利的是，由于大多數技術(shù)都是基于標準并且為特定應用和生態(tài)系統而設計的，因此許多權衡因素已針對特定用例和互操作性進(jìn)行了優(yōu)化。

相較而言，專(zhuān)有協(xié)議的主要優(yōu)勢是您可進(jìn)一步優(yōu)化無(wú)線(xiàn)協(xié)議，因為不需要與外部生態(tài)體系的互操作性，因此可以根據應用的特定要求最小化協(xié)議的開(kāi)銷(xiāo)和通話(huà)時(shí)間。專(zhuān)有協(xié)議提供了最大的靈活性，通常是最低成本和最低功耗的方案。

在隨后的內容中，我們將把各考量因素分解開(kāi)來(lái)，并討論每個(gè)因素與其他因素之間的相互依賴(lài)關(guān)系。

圖2 無(wú)線(xiàn)技術(shù)對比

1   頻譜

Wi-Fi、藍牙低功耗（Bluetooth LE）和Zigbee^?（紫蜂，IEEE 802.15.4）技術(shù)使用2.4 GHz 頻段的免授權頻譜。2.4 GHz（吉赫茲）是全球免授權頻段，隨著(zhù)集成Wi-Fi 和藍牙低功耗的手機的普及，2.4 GHz 的使用基本上已標準化。

除了2.4 GHz 之外，新一代的Wi-Fi 還使用5 GHz來(lái)幫助緩解擁堵，并提供更多的帶寬。美國聯(lián)邦通信委員會(huì )(FCC) 最近開(kāi)放了另一個(gè)接近6 GHz 的頻段，帶寬甚至更大。世界上其他地區也在效仿，6 GHz 將可能成為一個(gè)全球標準。

有一些區域性的Sub-GHz（低于1 吉赫茲）頻段也是免授權的，但沒(méi)有一個(gè)全球性的頻率標準。常見(jiàn)的頻率在有些國家是433 MHz（兆赫茲），在美國是915 MHz，在歐洲是868 MHz。因此，解決方案供應商需要有單獨的區域庫存單位(SKU)。這是Sub-GHz的主要缺點(diǎn)。然而，許多無(wú)線(xiàn)電芯片供應商如安森美(onsemi) 支持通用的硬件設計，僅對不同地區的BOM（物料清單）稍作改動(dòng)，因此差異通常極小。順便簡(jiǎn)要提一下，Zigbee 技術(shù)也支持Sub-GHz 頻段，但2.4 GHz 在當今更為普遍（在英國例外，Zigbee Sub-GHz 被用于智能電表）。

圖3 全球免授權頻譜

授權頻譜的使用也很常見(jiàn)，但通常只用于關(guān)鍵或大規模的部署。一些例子包括衛星網(wǎng)絡(luò )和智能電表網(wǎng)絡(luò )。商業(yè)應急服務(wù)也使用授權頻段。使用授權頻譜的主要驅動(dòng)力是可靠性和保護不受干擾。手機也因為這個(gè)原因而使用授權頻譜。

2   通信距離

通信距離是個(gè)復雜的話(huà)題，取決于許多參數和物理特性，這超出了本文的范圍。但整體而言，通信距離取決于以下參數：

●   環(huán)境（信道）的物理傳輸特性；

●   發(fā)射節點(diǎn)的輸出功率；

●   接收器在其本底噪聲下接收極小信號的能力（即靈敏度）；

●   干擾信號的存在以及接收器接收被阻斷信號的能力；

●   天線(xiàn)的指向性；

●   技術(shù)協(xié)議本身。

Wi-Fi、Bluetooth LE 和Zigbee/802.15.4 已針對它們的預期用例調整了協(xié)議的物理特性。然而，了解發(fā)射功率、環(huán)境參數及其對無(wú)線(xiàn)信號的影響、天線(xiàn)參數、接收器的靈敏度及其對干擾源的魯棒性，仍是系統設計人員的責任。

通信距離與頻段成反比。一個(gè)近似的經(jīng)驗法則是，當頻率翻倍時(shí)，距離就會(huì )減半。增加輸出功率可以幫助擴大距離，但最終會(huì )變得不實(shí)用。從根本上說(shuō)，增加輸出功率的幫助是有限的。

另一個(gè)限制距離的參數是數據速率。當您嘗試以越來(lái)越高的數據速率發(fā)送數據時(shí)，接收會(huì )越來(lái)越難。思考這個(gè)問(wèn)題的一個(gè)簡(jiǎn)單方法是，當您試圖快速地告訴別人一些事情時(shí)，如果他們聽(tīng)不懂，說(shuō)得再大聲也無(wú)濟于事。這就是通信中信息論背后的基本前提。

隨著(zhù)頻率和數據速率的增加，協(xié)議必須實(shí)施多輸入多輸出(MIMO)。從基本層面上講，這只是將信息分割成平行信息，從而能在單位時(shí)間內傳輸更多的信息。換句話(huà)說(shuō)，發(fā)送平行的數據流，可同時(shí)發(fā)送更多的數據，從而有效地提高數據傳輸率，而不減少傳輸距離。MIMO 階數是平行通道的數量。例如，4×4 MIMO 指有四個(gè)發(fā)射器和四個(gè)接收器。數據率和距離之間的這種取舍是5G（第五代移動(dòng)通信）部署需要這么多塔的重要原因之一。5G 的速度比4G（第四代移動(dòng)通信）高得多，需要采用更多的MIMO 基站來(lái)完善網(wǎng)絡(luò )并提供所需的性能水平。

專(zhuān)有協(xié)議的具體內容受到政府對所選頻段的法規限制。例如，在歐盟868 MHz 頻段，輸出功率被限制在+14 dBm（分貝毫瓦）。有許多可調整的協(xié)議參數，如：

●   前導碼長(cháng)度和用于訓練接收器鎖定輸入信號的訓練序列；

●   數據和協(xié)議的有效載荷；

●   使用的調制類(lèi)型；

●   帶寬和數據率；

●   編碼和糾錯。

這里沒(méi)有列全，只是設計專(zhuān)有協(xié)議時(shí)涉及的一些參數。因為所有的微調都是可能的，所以專(zhuān)有協(xié)議是最小化功耗的最佳方式之一，其所有的參數都是可調的。

3   網(wǎng)絡(luò )拓撲

網(wǎng)狀或非網(wǎng)狀，這是個(gè)問(wèn)題。此話(huà)題由來(lái)已久，引發(fā)了許多工程師各抒己見(jiàn)。有一些與網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )相關(guān)的不可避免的現實(shí)情況，必須在做決定之前考慮?，F在我們只考慮Bluetooth LE 和Zigbee 技術(shù)，它們都有網(wǎng)狀功能。

根據定義，藍牙低功耗是一種短距離的點(diǎn)對點(diǎn)網(wǎng)絡(luò )，這也是它的常用方式。然而，在過(guò)去的幾年里，藍牙技術(shù)聯(lián)盟(Bluetooth SIG) 已定義了一個(gè)網(wǎng)狀協(xié)議，它在智能照明行業(yè)越來(lái)越受歡迎。它之所以受歡迎，部分原因是能直接與手機和大多數網(wǎng)關(guān)通信的便利性。

圖4 藍牙低功耗網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )拓撲

然而，網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )應該只在需要發(fā)揮其優(yōu)勢時(shí)才用于特定用例。例如，在工廠(chǎng)或工業(yè)環(huán)境中，網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )是非常理想的，因為有更多的節點(diǎn)相互連接，并且要求更高可靠性和無(wú)單點(diǎn)故障。雖然這是個(gè)很大的優(yōu)勢，但它的代價(jià)是耗電，因為路由器節點(diǎn)必須一直供電。另一個(gè)成本是延時(shí)。由于信息要經(jīng)過(guò)多個(gè)節點(diǎn)，有時(shí)被稱(chēng)為“跳”，因此延遲會(huì )增加。在需要實(shí)時(shí)數據的應用中，這可能成為一個(gè)問(wèn)題。

網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )的另一個(gè)不太明顯的好處是，它增加了網(wǎng)絡(luò )的范圍。由于范圍不再受點(diǎn)對點(diǎn)（P2P）連接的限制，網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )可擴展到比單一P2P 連接所能達到的更大范圍。代價(jià)也是延遲，而且每個(gè)路由器節點(diǎn)需要更復雜的軟件和更大的內存，不僅要存儲堆棧，還要存儲網(wǎng)絡(luò )的路由表，這就增加了成本。

在可行的情況下，星型網(wǎng)絡(luò )（點(diǎn)對多點(diǎn)）通常是最經(jīng)濟的。與短程協(xié)議網(wǎng)相比，Sub-GHz 星型網(wǎng)絡(luò )的傳輸距離較長(cháng)，往往可以成為更經(jīng)濟的方案。然而，代價(jià)是失去了一些魯棒性，因為從一個(gè)終端節點(diǎn)到協(xié)調器只有一條路由路徑。

現在來(lái)看Wi-Fi。Wi-Fi 有點(diǎn)不同，因為它具有高速和出色的通信距離，但傳統上是個(gè)星型網(wǎng)絡(luò )（P2P）。通信距離較遠的部分原因是Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò )的發(fā)射功率通常在+30 dBm（1 瓦）左右，所以通信距離較遠。一個(gè)典型的藍牙低功耗或Zigbee 無(wú)線(xiàn)電的發(fā)射功率在0 到+8 dBm 之間，有時(shí)高達+20 dBm，但除了網(wǎng)關(guān)之外，這種情況不太常見(jiàn)。如果沒(méi)有網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )，藍牙低功耗通信距離通常被限制在10 米左右，Zigbee 技術(shù)通信距離被限制在100 米左右。

值得一提的是，隨著(zhù)5 GHz 和6 GHz 頻段加入到Wi-Fi 中，通信距離也隨之縮小。為了繼續提供好的服務(wù)質(zhì)量，網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )正被添加到Wi-Fi 中以抵消這種影響。被稱(chēng)為EasyMesh?（簡(jiǎn)單網(wǎng)狀網(wǎng)）的Wi-Fi 網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )認證計劃，保證了來(lái)自不同供應商的Wi-Fi 節點(diǎn)和控制器能互操作和協(xié)調，以保持統一和有效的覆蓋。

4   總結

本文介紹了工程師在設計無(wú)線(xiàn)系統時(shí)需要考慮的一些因素，包括頻譜、通信距離、網(wǎng)絡(luò )拓撲和性能取舍。與大多數系統一樣，性能的取舍往往是相互依賴(lài)的。本系列文章的第二部分將探討為您的設計選擇合適的無(wú)線(xiàn)技術(shù)的其他考慮因素，包括功耗、共存性和安全性。

（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年2月期）