電子行業(yè)從未止步不前。技術創(chuàng)新和發(fā)展不斷驅動著全球電子行業(yè)的進步，并使技術應用范圍不斷擴展。無線通信就是一個例子，Wi-Fi、藍牙和蜂窩通信可能是大家所熟悉且非常信賴的技術。但是，當今這些技術的參數和性能已經在最初開發(fā)基礎上有了很大改進。
在本文中，我們在討論LPWAN、Sigfox和LoRa進展之前，首先回顧一下最近的無線技術創(chuàng)新，包括Wi-Fi 6和Wi-Fi HaLow等技術。
當今互聯社會中必不可少的無線通信
很難相信Wi-Fi今年將迎來30周年紀念。當年IEEE花費了六年時間才批準了Wi-Fi的第一個標準IEEE 802.11，盡管藍牙與Wi-Fi面向不同的用例，但藍牙的研發(fā)卻源于大致相似的時代。
無線通信當今已經無處不在。我們可以在家里、汽車和公共場所應用各種無線技術。我們家里或身體上可能會有數十種無線通信設備，其中包括從智能手表和健身追蹤器到筆記本電腦、平板電腦和門鈴等設備，可謂應有盡有。
多年來，大多數無線協議都在不斷演進以適應新的應用。作為消費者，我們能夠感受到的最重要變化是帶寬和作用距離，而另外的一些變化則主要針對技術性更強的人員，包括mesh網絡和基于用例的較低數據速率。
隨著不同類型設備的數量增加，某些特定用例也隨之增多。反過來，標準機構可以修改無線規(guī)范或創(chuàng)建新的規(guī)范，以滿足新的細分市場或應用需求。
首先讓我們回顧一下Wi-Fi的進展。 Wi-Fi已成為大多數家庭和企業(yè)必不可少的無線連接服務，它能夠提供快速數據通信，足以在大多數家庭中支持多個音頻和視頻流，而不會遇到我們早期經歷的緩沖錯誤。除了智能手機和其他一些設備外，大多數Wi-Fi設備都是通過市電/線路供電，在下一章節(jié)中，我們將分析Wi-Fi如何演進以服務兩種截然不同的應用。
Wi-Fi 6和Wi-Fi HaLow
Wi-Fi 6首先，術語Wi-Fi 6可能看起來有些奇怪。 其中的“ 6”是第一次使用版本序號表示特定的Wi-Fi標準。您可能會看到過去提到的標準，例如，在設備包裝上的802.11b/g/n。在批準Wi-Fi 6之前，2014年發(fā)布的最新Wi-Fi標準定義為802.11ac，現在稱為Wi-Fi 5，它在2.4GHz和5GHz頻譜上均可工作。2.4GHz仍可提供家庭中最佳的距離特性，但是由于有如此多設備和其他協議共享2.4GHz頻率，因此5GHz在實踐中可能會提供更好的通信連接。
圖1：Wi-Fi版本序號。（來源：Wi-Fi聯盟）
Wi-Fi 6（定義為IEEE 802.11ax）能夠帶來幾方面顯著優(yōu)勢。首先，技術上可能的最高鏈接速率從Wi-Fi 5的6,933 Mbit / s增加到9,608 Mbit / s，路由器到單個設備的連接速度提高了約40％。路由器和連接設備都需要多個天線以支持多個數據流，才能實現這些最大數據速率。
與以前的版本相比，Wi-Fi 6使用了不同的調制技術，從而在繁忙的公共場所能夠提供更好的Wi-Fi性能。正交頻分多址（OFDMA）和多用戶多進/多出數據流（MU-MIMO）大大增加了單個接入點可以服務的設備數量。
Wi-Fi 6還為電池供電設備引入了“節(jié)電”功能。Wi-Fi 6中的目標喚醒時間（TWT）功能可以使無線收發(fā)器進入和退出睡眠模式，以節(jié)省電池電量，而不是連續(xù)輪詢路由器。最近宣布的Wi-Fi 6E標準則首次引入了在6GHz頻譜運行。
Wi-Fi 6兼容設備的可用性正在緩慢提高，其中示例包括恩智浦（NXP） WLAN8101H 2.4GHz前端模塊系列，它包括一個Tx/Rx天線開關，發(fā)射器和接收器放大器以及定向耦合器。
另一個示例是Qorvo QPF4551 5GHz前端模塊，以及英特爾最近推出的完整Wi-Fi 6模塊：Intel AX.201。
Wi-Fi HaLow
Wi-Fi聯盟于2017年推出了Wi-Fi HaLow標準，主要是針對新興物聯網（IoT）滿足對可靠且強大無線協議不斷增長的需求。Wi-Fi HaLow基于IEEE 802.11 ah標準，與Wi-Fi 6相比走到了截然相反的方向（請參見圖2）。
圖2：高帶寬Wi-Fi版本中的Wi-Fi HaLow。（來源：Wi-Fi聯盟）
Wi-Fi HaLow主要是為了應對電池供電嵌入式IoT設備（如遠程傳感器）帶來的相關技術挑戰(zhàn)，重點特性包括超低功耗、較低的數據速率和擴展的通信距離。Wi-Fi HaLow還整合了Wi-Fi 6中引入的TWT功能，從而 能夠進一步降低功耗并延長電池壽命。
圖3：Wi-Fi HaLow的優(yōu)勢。（來源：Wi-Fi聯盟）
Wi-Fi HaLow在低于1GHz的未許可工業(yè)、醫(yī)學和科學（ISM）頻譜中運行，具有高達1km的擴展作用距離以及對內墻、樹木和建筑物等更小的信號衰減。150 kbit / s的標稱數據速率能夠擴展到數十Mbit / s，主要通過由正交頻分多路復用（OFDM）調制提供，具有前向誤差校正（FEC）的多入/多出（MIMO）和多個子載波信道實現。
IIoT / IoT發(fā)展趨勢推動無線技術持續(xù)創(chuàng)新
Wi-Fi HaLow并不是明確為工業(yè)物聯網（IIoT）而設計的唯一無線協議。在開發(fā)Wi-Fi HaLow之前，還有其他兩個競爭協議Sigfox和LoRa曾經進入市場，它們都在未許可的1GHz以下ISM頻譜中運行。LoRa和Sigfox等低功耗廣域網（LPWAN）在IIoT / IoT應用中非常急需，這些應用包括智能電表、家庭自動化和安全性、以及園藝等。Sigfox和LoRa與Wi-Fi HaLow的不同之處在于，盡管Wi-Fi HaLow適合用于IoT，但不能提供完整的LPWAN網絡基礎設施。
Sigfox
Sigfox LPWAN占用ISM頻段的192kHz超窄帶寬。在歐洲，Sigfox使用的頻譜為868 MHz～868.2 MHz，而在世界其他地區(qū)，則是902 MHz～928 MHz的區(qū)域指配部分。Sigfox數據通信速率極低，為100 bits/s或600bits/s，上行鏈路有效載荷最高12-bytes。下行鏈路數據包大小固定為8-bytes。如此低的數據速率需要非常少量無線電頻譜，通常只占用100 Hz。一個12-bytes的有效載荷可能看起來太小，但是足以發(fā)送環(huán)境傳感器測量值、GPS地理位置坐標和設備狀態(tài)等消息。Sigfox網絡限制每小時發(fā)送不超過6條12-bytes消息或每天140條消息。每天最多只能下載4條消息。
蜂窩設備只與單個基站進行通信，所不同的是，Sigfox設備信號可用于作用距離內的所有基站。Sigfox設備首先在給定頻譜內的隨機頻率上發(fā)送消息，然后，在不同頻率和不同時隙中重復兩次。這種消息接收和傳輸方法實現了時間和頻率分集，這與多個基站提供的空間分集一起，能夠創(chuàng)建卓越的服務質量（QoS）等級。
Sigfox能夠提供從基站到運營支持（OSS）和業(yè)務支持（BSS）系統的完整網絡基礎設施（請參見圖4）。
圖4：Sigfox網絡高級體系架構。（來源：Sigfox）
如此低的占空比可使Sigfox設備大部分時間都處于空閑睡眠模式，并能夠最大限度地延長電池使用壽命。使用低于GHz的頻譜，Sigfox可以根據地形和鏈路預算限制提供數公里的作用范圍。
Sigfox收發(fā)器模塊的一個示例是LPRS的eRIC-SIGFOX。
模塊的發(fā)射器輸出功率能夠以1 dBm步長進行編程，最高可達Sigfox允許的最大+14 dBm。深度睡眠模式電流為100nA，待機為0.5 mA，發(fā)送時功率為+ 14 dBm，49 mA。
為了進行初始開發(fā)和制作原型，安森美半導體EU-Sigfox能夠以Arduino Uno屏蔽尺寸提供一個方便易用的評估板。
LoRa
LoRa與Sigfox略有不同。首先，LoRa是遠程的縮寫，它定義了用于通信的專有協議和調制技術。半導體供應商Semtech開發(fā)了LoRa技術，并擁有LoRa IP的許可授權。 LoRa聯盟負載管理LoRa LPWAN基礎設施。網絡基礎設施和社區(qū)運營商按國家/地區(qū)許可，每個國家/地區(qū)通常有多個運營商。社區(qū)運營商方面的一個例子是非常受歡迎的The Things Network。
LoRa估計，在農村地區(qū)視線距離內，設備到網關的作用距離最高為15公里，而在人口稠密的城市地區(qū)，設備到網關作用距離最高5公里。 LoRa使用的調制技術是專有的改良版線性調頻擴頻（CSS）技術。有兩個上行鏈路信道帶寬，分別為125kHz或500kHz，以及固定下行鏈路帶寬500 kHz。調制方法采用擴展碼技術，能夠定義從標稱到擴展信號的寬度。信號擴展越寬，數據速率就越大，但是預期作用距離會減小。共有六個擴展代碼。需要權衡取舍信道帶寬、數據速率、鏈路功率預算和廣播時間。所有這些因素都會影響電池壽命和作用距離。圖5突出顯示了可用的十四種上行鏈路和下行鏈路數據速率。
圖5：基于擴頻因子、信道帶寬和最大有效載荷的LoRa數據速率。（來源：Semtech）
對于不同地區(qū)，可用的125 kHz和500 kHz通道數量也不同。同樣，特定國家或地區(qū)的LPWAN運營商將確定連接設備以及發(fā)送/接收消息的數量。 LoRa收發(fā)器的一個示例是Semtech LR1110，它包含一個LoRa收發(fā)器，一個GNSS接收器，一個數字前端和一個加密引擎。發(fā)射器提供兩個輸出級選項，一個+22dBm和一個高效率+15dBm。
無線通信標準不斷發(fā)展
在本文中，我們重點介紹了Wi-Fi和兩種LPWAN通信技術的最新進展。隨著更多應用的不斷出現，無線標準權威機構和RF架構師將會設計出更新穎，且高度優(yōu)化的無線協議，以滿足全新應用的特定要求。其中一些創(chuàng)新可能會基于Wi-Fi等現有技術，而另外一些創(chuàng)新則可能會引入全新概念。例如，最早于1950年代發(fā)明的超寬帶（UWB）通信技術目前正在蓬勃發(fā)展，這種技術最初只是用于汽車鑰匙扣和測距等任務，它具備的超低延遲、低功耗和鏈路靈活性等特點使其適合于各種消費和汽車應用。
無線通信標準的演進始終處于電子行業(yè)的最前沿。
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