无线标准中的碎片化：射频专家的分析

在为您的下一个设计项目选择一个或多个射频无线标准之前，先比较一下射频无线标准。

无线通信领域高度分散，无线电技术种类繁多，从 Wi-Fi 和蓝牙到 5G、LoRaWAN 等。虽然这种多样性为增强连接性和更智能的基础设施提供了令人兴奋的机会，但它也给必须驾驭这个复杂生态系统的设计工程师、集成商和最终用户带来了重大挑战。随着物联网 （IoT） 和工业 4.0 爆炸式增长的推动下，无线技术的加速普及，了解为您的设计选择哪种无线标准变得越来越困难。

本文深入探讨了无线标准中的这种碎片化，根据主要技术的功能对主要技术进行分类，并研究了影响技术选择的因素。

不断变化的景观

当今的无线环境具有多种协议，每种协议都支持不同的通信要求。LPWAN 技术提供低功耗和广域功能，而 5G RedCap 有望更好地使蜂窝连接成本与物联网市场的需求保持一致。Wi-Fi 连接在局域网中无处不在，蓝牙、Zigbee 和 Thread 凭借其网状网络功能，在智能家居和办公空间中竞争日益激烈。无线定位和安全访问市场目前正在经历强劲增长，推动了 RFID、NFC 和 UWB 短距离技术的发展。

每项技术都得到了多个行业团体的支持，例如 3GPP、CSA（用于 Zigbee）和蓝牙 SIG，所有这些都专注于通过一系列版本来发展各自技术的功能。工程师必须了解这些技术路线图可能如何影响他们的产品生命周期。

在考虑如何驾驭这个复杂的环境之前，请简要了解一下当今市场上可用的主要无线技术。

主要无线技术

当今常用的无线技术大致可分为三大类：蜂窝、LPWAN 和短距离。

蜂窝连接提供了所有无线技术的最佳覆盖范围（图1），并且通过使用许可频谱，可以提供稳定可靠的服务，但会产生数据计划的成本。5G 网络的持续推出将带来数据速率和延迟的阶梯式变化，未来的 3GPP 版本将继续改进蜂窝物联网，并推动这种连接选项在一个网络下为更多物联网应用提供服务。

图1 蜂窝网络覆盖全面，但需要订阅蜂窝数据服务

LPWAN 是任何支持长距离通信并使用最小功率的网络的总称（图 2）。这些网络最适合发送少量且不频繁的非时间敏感数据的应用，例如智能计量、资产跟踪、智能农业和环境监测。LPWAN网络可根据其使用未经许可或获得许可的频谱进一步分为两类。

LoRaWAN 和 Sigfox 是免许可 LPWAN 网络的领导者。LoRaWAN 由 LoRa 联盟开发和维护，基于开放标准，其架构基于网关，在终端设备和中央网络服务器之间中继消息。LoRaWAN 可以部署为专用网络，也可以通过集成商作为公共网络提供。另一方面，Sigfox 网络由一家法国公司拥有和维护，基于专利专有技术，并采用订阅模式运营。

获得许可的 LPWAN 连接使用蜂窝网络，通常提供更高质量的连接，干扰更少，连接中断更少。针对物联网应用的三个主要蜂窝标准是 NB-IoT （LTE Cat-NB）、LTE-M （LTE Cat-M） 和 LTE Cat 1bis。每种在成本、数据速率和功耗方面都有其优势，并且 NB-IoT 和 LTE-M 的覆盖范围比 LTE Cat 1bis 更加分散。

短距离可能是无线通信中最复杂和最分散的领域，因为技术范围广泛，每种技术都适应不同的要求。在许多情况下，这些技术提供重叠的功能。该领域的关键技术包括：

● 长期以来，Wi-Fi 一直是家庭、办公室和公共场所本地无线网络的主导技术。它在未经许可的频谱（2.4 GHz、5 GHz 和 6 GHz）中运行，提供高速数据传输，但与蜂窝网络相比范围有限。

● 蓝牙广泛用于耳机、扬声器和智能手表等设备之间的短距离通信。BLE 是专为电池供电设备设计的节能版本，具有低功耗和中等数据速率。

● Zigbee 主要针对智能家居、工业自动化和能源管理中的物联网应用。它在 2.4 GHz ISM 频段运行，专为低功耗、低数据速率应用而设计。

● Thread 网络是一种低功耗无线网状网络协议，专为物联网应用（尤其是智能家居设备）而设计。Thread 使设备能够使用 IPv6 相互通信以及与互联网通信，为某些应用提供更强大、更高效的 Wi-Fi 或蓝牙替代方案。

● NFC 和 RFID 是用于非接触式支付、资产跟踪和访问控制等应用的短程技术。它们在未经许可的 13.56 MHz 频段运行，NFC 是 RFID 的一个子集。

● 超宽带（UWB）技术是一种短距离、高带宽的无线通信技术，它利用无线电波实现精确定位和跟踪能力。UWB 在宽频带内以低功耗运行，最大限度地减少对其他无线系统的干扰，提供高精度的距离测量，精度达到厘米级。UWB 还高度安全，非常适合精确定位和跟踪、室内导航、安全访问控制和无线支付等应用。

选择您的无线技术

虽然这个充满活力的市场提供了巨大的创新机会，但它也给开发人员在选择最佳无线技术时带来了一系列挑战。

5G、LTE 和 NB-IoT 等许可频谱技术提供有保证的覆盖范围、抗干扰性和更高的数据速率，但成本和监管监督也更高。Sigfox、Wi-Fi、蓝牙和 Zigbee 成本较低，但在拥挤的环境中可能会受到干扰和拥塞。某些应用程序可能需要多模无线功能。跟踪设备可能必须在仓库内和运输过程中运行，需要室内和室外定位能力。

无线技术路线图将显着影响拟议产品的使用寿命。2G 和 3G 网络的日落迫使许多物联网应用迁移到 LTE，现在 5G REDCap 正在成为未来。在可预见的未来，LTE-M 和 NB-IoT 将继续在 4G 网络上运行，而 REDCap 芯片组才刚刚上市，因此开发人员必须选择成熟的网络，或者确定新兴的 REDCap 生态系统将与他们的产品路线图保持一致。此外，每个新版本的功能都可以重叠;例如，蓝牙 6.0 被赋予了新功能，提高了其在定位市场的竞争力，而 Zigbee、Thread 和蓝牙 Mesh 都为智能家居应用的开发人员提供了功能。

在选择无线技术时，不应忽视易于部署以及上市速度，开发人员应寻找由芯片组、模块和开发工具组成的强大生态系统。射频设计很复杂，需要专业知识，并且大多数部署区域都有特定的认证要求。认证的时间和成本不容小觑，模块提供了一种将射频工作“外包”给专业制造商的有效方式，使开发人员能够专注于应用。当产量或设计复杂性决定芯片组的使用时，天线设计和选择是关键任务。

结论

无线通信领域复杂且分散，多种技术满足各种应用需求。选择正确的技术需要仔细考虑每个应用的具体需求，以及功耗、范围、数据速率和生态系统支持等因素。通过了解不同无线标准和技术的细微差别，工程师可以做出明智的决策，使他们能够构建更高效、面向未来的无线应用。