Dan Clement

當今有許多不同的無線標準和協(xié)議在使用，要為任何特定的應(yīng)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，并評介四個流行的選項：Wi-Fi技術(shù)（無線保真）、藍牙低功耗（Bluetooth Low Energy）技術(shù)、專有射頻（RF）和來自連接性標準聯(lián)盟（Connectivity Standards Alliance）的Green Power協(xié)議。

在選擇無線技術(shù)時，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(quán)衡。有利的是，由于大多數(shù)技術(shù)都是基于標準并且為特定應(yīng)用和生態(tài)系統(tǒng)而設(shè)計的，因此許多權(quán)衡因素已針對特定用例和互操作性進行了優(yōu)化。

相較而言，專有協(xié)議的主要優(yōu)勢是您可進一步優(yōu)化無線協(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(jù)應(yīng)用的特定要求最小化協(xié)議的開銷和通話時間。專有協(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(nèi)容中，我們將把各考量因素分解開來，并討論每個因素與其他因素之間的相互依賴關(guān)系。

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(quán)頻譜。2.4 GHz（吉赫茲）是全球免授權(quán)頻段，隨著集成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來幫助緩解擁堵，并提供更多的帶寬。美國聯(lián)邦通信委員會（FCC）最近開放了另一個接近6 GHz的頻段，帶寬甚至更大。世界上其他地區(qū)也在效仿，6 GHz將可能成為一個全球標準。

有一些區(qū)域性的Sub-GHz（低于1吉赫茲）頻段也是免授權(quán)的，但沒有一個全球性的頻率標準。常見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(yīng)商需要有單獨的區(qū)域庫存單位（SKU）。這是Sub-GHz的主要缺點。然而，許多無線電芯片供應(yīng)商如安森美（onsemi）支持通用的硬件設(shè)計，僅對不同地區(qū)的BOM（物料清單）稍作改動，因此差異通常極小。順便簡要提一下，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）。

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

2 通信距離

通信距離是個復(fù)雜的話題，取決于許多參數(shù)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(shù)：

● 環(huán)境（信道）的物理傳輸特性；

● 發(fā)射節(jié)點的輸出功率；

● 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(yù)期用例調(diào)整了協(xié)議的物理特性。然而，了解發(fā)射功率、環(huán)境參數(shù)及其對無線信號的影響、天線參數(shù)、接收器的靈敏度及其對干擾源的魯棒性，仍是系統(tǒng)設(shè)計人員的責(zé)任。

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

另一個限制距離的參數(shù)是數(shù)據(jù)速率。當您嘗試以越來越高的數(shù)據(jù)速率發(fā)送數(shù)據(jù)時，接收會越來越難。思考這個問題的一個簡單方法是，當您試圖快速地告訴別人一些事情時，如果他們聽不懂，說得再大聲也無濟于事。這就是通信中信息論背后的基本前提。

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

專有協(xié)議的具體內(nèi)容受到政府對所選頻段的法規(guī)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(diào)整的協(xié)議參數(shù)，如：

● 前導(dǎo)碼長度和用于訓(xùn)練接收器鎖定輸入信號的訓(xùn)練序列；

● 數(shù)據(jù)和協(xié)議的有效載荷；

● 使用的調(diào)制類型；

● 帶寬和數(shù)據(jù)率；

● 編碼和糾錯。

這里沒有列全，只是設(shè)計專有協(xié)議時涉及的一些參數(shù)。因為所有的微調(diào)都是可能的，所以專有協(xié)議是最小化功耗的最佳方式之一，其所有的參數(shù)都是可調(diào)的。

3 網(wǎng)絡(luò)拓撲

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

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

然而，網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該只在需要發(fā)揮其優(yōu)勢時才用于特定用例。例如，在工廠或工業(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(jié)點相互連接，并且要求更高可靠性和無單點故障。雖然這是個很大的優(yōu)勢，但它的代價是耗電，因為路由器節(jié)點必須一直供電。另一個成本是延時。由于信息要經(jīng)過多個節(jié)點，有時被稱為“跳”，因此延遲會增加。在需要實時數(shù)據(jù)的應(yīng)用中，這可能成為一個問題。

網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的另一個不太明顯的好處是，它增加了網(wǎng)絡(luò)的范圍。由于范圍不再受點對點（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。代價也是延遲，而且每個路由器節(jié)點需要更復(fù)雜的軟件和更大的內(nèi)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)（點對多點）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，往往可以成為更經(jīng)濟的方案。然而，代價是失去了一些魯棒性，因為從一個終端節(jié)點到協(xié)調(diào)器只有一條路由路徑。

現(xiàn)在來看Wi-Fi。Wi-Fi有點不同，因為它具有高速和出色的通信距離，但傳統(tǒng)上是個星型網(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。一個典型的藍牙低功耗或Zigbee無線電的發(fā)射功率在0到+8 dBm之間，有時高達+20 dBm，但除了網(wǎng)關(guān)之外，這種情況不太常見。如果沒有網(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(xù)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。被稱為EasyMesh（簡單網(wǎng)狀網(wǎng)）的Wi-Fi網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)認證計劃，保證了來自不同供應(yīng)商的Wi-Fi節(jié)點和控制器能互操作和協(xié)調(diào)，以保持統(tǒng)一和有效的覆蓋。

4 總結(jié)

本文介紹了工程師在設(shè)計無線系統(tǒng)時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(shù)系統(tǒng)一樣，性能的取舍往往是相互依賴的。本系列文章的第二部分將探討為您的設(shè)計選擇合適的無線技術(shù)的其他考慮因素，包括功耗、共存性和安全性。

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