选择合适的无线技术（一）：频谱、通信距离和网络拓扑

当今有许多不同的无线标准和协议在使用，要为任何特定的应用选择合适的技术可能很困难。在这篇文章中，我们将探讨一些需要考虑的关键标准，并评介四个流行的选项：Wi-Fi^® 技术（无线保真）、蓝牙低功耗(Bluetooth^® Low Energy) 技术、专有射频(RF) 和来自连接性标准联盟(Connectivity Standards Alliance^®) 的Green Power™ 协议。

图1 无线技术考量因素

在选择无线技术时，需要考虑许多不同的因素。这些考量因素往往是相互有关联的，因为要考虑到前后兼容的权衡。有利的是，由于大多数技术都是基于标准并且为特定应用和生态系统而设计的，因此许多权衡因素已针对特定用例和互操作性进行了优化。

相较而言，专有协议的主要优势是您可进一步优化无线协议，因为不需要与外部生态体系的互操作性，因此可以根据应用的特定要求最小化协议的开销和通话时间。专有协议提供了最大的灵活性，通常是最低成本和最低功耗的方案。

在随后的内容中，我们将把各考量因素分解开来，并讨论每个因素与其他因素之间的相互依赖关系。

图2 无线技术对比

1   频谱

Wi-Fi、蓝牙低功耗（Bluetooth LE）和Zigbee^®（紫蜂，IEEE 802.15.4）技术使用2.4 GHz 频段的免授权频谱。2.4 GHz（吉赫兹）是全球免授权频段，随着集成Wi-Fi 和蓝牙低功耗的手机的普及，2.4 GHz 的使用基本上已标准化。

除了2.4 GHz 之外，新一代的Wi-Fi 还使用5 GHz来帮助缓解拥堵，并提供更多的带宽。美国联邦通信委员会(FCC) 最近开放了另一个接近6 GHz 的频段，带宽甚至更大。世界上其他地区也在效仿，6 GHz 将可能成为一个全球标准。

有一些区域性的Sub-GHz（低于1 吉赫兹）频段也是免授权的，但没有一个全球性的频率标准。常见的频率在有些国家是433 MHz（兆赫兹），在美国是915 MHz，在欧洲是868 MHz。因此，解决方案供应商需要有单独的区域库存单位(SKU)。这是Sub-GHz的主要缺点。然而，许多无线电芯片供应商如安森美(onsemi) 支持通用的硬件设计，仅对不同地区的BOM（物料清单）稍作改动，因此差异通常极小。顺便简要提一下，Zigbee 技术也支持Sub-GHz 频段，但2.4 GHz 在当今更为普遍（在英国例外，Zigbee Sub-GHz 被用于智能电表）。

图3 全球免授权频谱

授权频谱的使用也很常见，但通常只用于关键或大规模的部署。一些例子包括卫星网络和智能电表网络。商业应急服务也使用授权频段。使用授权频谱的主要驱动力是可靠性和保护不受干扰。手机也因为这个原因而使用授权频谱。

2   通信距离

通信距离是个复杂的话题，取决于许多参数和物理特性，这超出了本文的范围。但整体而言，通信距离取决于以下参数：

●   环境（信道）的物理传输特性；

●   发射节点的输出功率；

●   接收器在其本底噪声下接收极小信号的能力（即灵敏度）；

●   干扰信号的存在以及接收器接收被阻断信号的能力；

●   天线的指向性；

●   技术协议本身。

Wi-Fi、Bluetooth LE 和Zigbee/802.15.4 已针对它们的预期用例调整了协议的物理特性。然而，了解发射功率、环境参数及其对无线信号的影响、天线参数、接收器的灵敏度及其对干扰源的鲁棒性，仍是系统设计人员的责任。

通信距离与频段成反比。一个近似的经验法则是，当频率翻倍时，距离就会减半。增加输出功率可以帮助扩大距离，但最终会变得不实用。从根本上说，增加输出功率的帮助是有限的。

另一个限制距离的参数是数据速率。当您尝试以越来越高的数据速率发送数据时，接收会越来越难。思考这个问题的一个简单方法是，当您试图快速地告诉别人一些事情时，如果他们听不懂，说得再大声也无济于事。这就是通信中信息论背后的基本前提。

随着频率和数据速率的增加，协议必须实施多输入多输出(MIMO)。从基本层面上讲，这只是将信息分割成平行信息，从而能在单位时间内传输更多的信息。换句话说，发送平行的数据流，可同时发送更多的数据，从而有效地提高数据传输率，而不减少传输距离。MIMO 阶数是平行通道的数量。例如，4×4 MIMO 指有四个发射器和四个接收器。数据率和距离之间的这种取舍是5G（第五代移动通信）部署需要这么多塔的重要原因之一。5G 的速度比4G（第四代移动通信）高得多，需要采用更多的MIMO 基站来完善网络并提供所需的性能水平。

专有协议的具体内容受到政府对所选频段的法规限制。例如，在欧盟868 MHz 频段，输出功率被限制在+14 dBm（分贝毫瓦）。有许多可调整的协议参数，如：

●   前导码长度和用于训练接收器锁定输入信号的训练序列；

●   数据和协议的有效载荷；

●   使用的调制类型；

●   带宽和数据率；

●   编码和纠错。

这里没有列全，只是设计专有协议时涉及的一些参数。因为所有的微调都是可能的，所以专有协议是最小化功耗的最佳方式之一，其所有的参数都是可调的。

3   网络拓扑

网状或非网状，这是个问题。此话题由来已久，引发了许多工程师各抒己见。有一些与网状网络相关的不可避免的现实情况，必须在做决定之前考虑。现在我们只考虑Bluetooth LE 和Zigbee 技术，它们都有网状功能。

根据定义，蓝牙低功耗是一种短距离的点对点网络，这也是它的常用方式。然而，在过去的几年里，蓝牙技术联盟(Bluetooth SIG) 已定义了一个网状协议，它在智能照明行业越来越受欢迎。它之所以受欢迎，部分原因是能直接与手机和大多数网关通信的便利性。

图4 蓝牙低功耗网状网络拓扑

然而，网状网络应该只在需要发挥其优势时才用于特定用例。例如，在工厂或工业环境中，网状网络是非常理想的，因为有更多的节点相互连接，并且要求更高可靠性和无单点故障。虽然这是个很大的优势，但它的代价是耗电，因为路由器节点必须一直供电。另一个成本是延时。由于信息要经过多个节点，有时被称为“跳”，因此延迟会增加。在需要实时数据的应用中，这可能成为一个问题。

网状网络的另一个不太明显的好处是，它增加了网络的范围。由于范围不再受点对点（P2P）连接的限制，网状网络可扩展到比单一P2P 连接所能达到的更大范围。代价也是延迟，而且每个路由器节点需要更复杂的软件和更大的内存，不仅要存储堆栈，还要存储网络的路由表，这就增加了成本。

在可行的情况下，星型网络（点对多点）通常是最经济的。与短程协议网相比，Sub-GHz 星型网络的传输距离较长，往往可以成为更经济的方案。然而，代价是失去了一些鲁棒性，因为从一个终端节点到协调器只有一条路由路径。

现在来看Wi-Fi。Wi-Fi 有点不同，因为它具有高速和出色的通信距离，但传统上是个星型网络（P2P）。通信距离较远的部分原因是Wi-Fi 网络的发射功率通常在+30 dBm（1 瓦）左右，所以通信距离较远。一个典型的蓝牙低功耗或Zigbee 无线电的发射功率在0 到+8 dBm 之间，有时高达+20 dBm，但除了网关之外，这种情况不太常见。如果没有网状网络，蓝牙低功耗通信距离通常被限制在10 米左右，Zigbee 技术通信距离被限制在100 米左右。

值得一提的是，随着5 GHz 和6 GHz 频段加入到Wi-Fi 中，通信距离也随之缩小。为了继续提供好的服务质量，网状网络正被添加到Wi-Fi 中以抵消这种影响。被称为EasyMesh™（简单网状网）的Wi-Fi 网状网络认证计划，保证了来自不同供应商的Wi-Fi 节点和控制器能互操作和协调，以保持统一和有效的覆盖。

4   总结

本文介绍了工程师在设计无线系统时需要考虑的一些因素，包括频谱、通信距离、网络拓扑和性能取舍。与大多数系统一样，性能的取舍往往是相互依赖的。本系列文章的第二部分将探讨为您的设计选择合适的无线技术的其他考虑因素，包括功耗、共存性和安全性。

（本文来源于《电子产品世界》杂志2022年2月期）