選擇合適的無線技術（一）：頻譜、通信距離和網(wǎng)絡拓撲

當今有許多不同的無線標準和協(xié)議在使用，要為任何特定的應用選擇合適的技術可能很困難。在這篇文章中，我們將探討一些需要考慮的關鍵標準，并評介四個流行的選項：Wi-Fi^? 技術（無線保真）、藍牙低功耗(Bluetooth^? Low Energy) 技術、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。

圖1 無線技術考量因素

在選擇無線技術時，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(shù)技術都是基于標準并且為特定應用和生態(tài)系統(tǒng)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系。

圖2 無線技術對比

1   頻譜

Wi-Fi、藍牙低功耗（Bluetooth LE）和Zigbee^?（紫蜂，IEEE 802.15.4）技術使用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商如安森美(onsemi) 支持通用的硬件設計，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，但通常只用于關鍵或大規(guī)模的部署。一些例子包括衛(wèi)星網(wǎng)絡和智能電表網(wǎng)絡。商業(yè)應急服務也使用授權頻段。使用授權頻譜的主要驅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頻譜。

2   通信距離

通信距離是個復雜的話題，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(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)設計人員的責任。

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)絡并提供所需的性能水平。

專有協(xié)議的具體內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）。有許多可調整的協(xié)議參數(shù)，如：

●   前導碼長度和用于訓練接收器鎖定輸入信號的訓練序列；

●   數(shù)據(jù)和協(xié)議的有效載荷；

●   使用的調制類型；

●   帶寬和數(shù)據(jù)率；

●   編碼和糾錯。

這里沒有列全，只是設計專有協(xié)議時涉及的一些參數(shù)。因為所有的微調都是可能的，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)都是可調的。

3   網(wǎng)絡拓撲

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)絡相關的不可避免的現(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，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，這也是它的常用方式。然而，在過去的幾年里，藍牙技術聯(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)關通信的便利性。

圖4 藍牙低功耗網(wǎng)狀網(wǎng)絡拓撲

然而，網(wǎng)狀網(wǎng)絡應該只在需要發(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)的應用中，這可能成為一個問題。

網(wǎng)狀網(wǎng)絡的另一個不太明顯的好處是，它增加了網(wǎng)絡的范圍。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)點需要更復雜的軟件和更大的內存，不僅要存儲堆棧，還要存儲網(wǎng)絡的路由表，這就增加了成本。

在可行的情況下，星型網(wǎng)絡（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（P2P）。通信距離較遠的部分原因是Wi-Fi 網(wǎng)絡的發(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)關之外，這種情況不太常見。如果沒有網(wǎng)狀網(wǎng)絡，藍牙低功耗通信距離通常被限制在10 米左右，Zigbee 技術通信距離被限制在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)提供好的服務質量，網(wǎng)狀網(wǎng)絡正被添加到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)絡認證計劃，保證了來自不同供應商的Wi-Fi 節(jié)點和控制器能互操作和協(xié)調，以保持統(tǒng)一和有效的覆蓋。

4   總結

本文介紹了工程師在設計無線系統(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計選擇合適的無線技術的其他考慮因素，包括功耗、共存性和安全性。

（本文來源于《電子產品世界》雜志2022年2月期）