了解最新無(wú)線協(xié)議最新進(jìn)展

電子行業(yè)從未止步不前。技術(shù)創(chuàng)新和發(fā)展不斷驅(qū)動(dòng)著全球電子行業(yè)的進(jìn)步，并使技術(shù)應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)展。無(wú)線通信就是一個(gè)例子，Wi-Fi、藍(lán)牙和蜂窩通信可能是大家所熟悉且非常信賴的技術(shù)。但是，當(dāng)今這些技術(shù)的參數(shù)和性能已經(jīng)在最初開發(fā)基礎(chǔ)上有了很大改進(jìn)。

在本文中，我們?cè)谟懻揕PWAN、Sigfox和LoRa進(jìn)展之前，首先回顧一下最近的無(wú)線技術(shù)創(chuàng)新，包括Wi-Fi 6和Wi-Fi HaLow等技術(shù)。

當(dāng)今互聯(lián)社會(huì)中必不可少的無(wú)線通信

很難相信Wi-Fi今年將迎來30周年紀(jì)念。當(dāng)年IEEE花費(fèi)了六年時(shí)間才批準(zhǔn)了Wi-Fi的第一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.11，盡管藍(lán)牙與Wi-Fi面向不同的用例，但藍(lán)牙的研發(fā)卻源于大致相似的時(shí)代。

無(wú)線通信當(dāng)今已經(jīng)無(wú)處不在。我們可以在家里、汽車和公共場(chǎng)所應(yīng)用各種無(wú)線技術(shù)。我們家里或身體上可能會(huì)有數(shù)十種無(wú)線通信設(shè)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(shè)備，可謂應(yīng)有盡有。

多年來，大多數(shù)無(wú)線協(xié)議都在不斷演進(jìn)以適應(yīng)新的應(yīng)用。作為消費(fèi)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(duì)技術(shù)性更強(qiáng)的人員，包括mesh網(wǎng)絡(luò)和基于用例的較低數(shù)據(jù)速率。

隨著不同類型設(shè)備的數(shù)量增加，某些特定用例也隨之增多。反過來，標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)可以修改無(wú)線規(guī)范或創(chuàng)建新的規(guī)范，以滿足新的細(xì)分市場(chǎng)或應(yīng)用需求。

首先讓我們回顧一下Wi-Fi的進(jìn)展。 Wi-Fi已成為大多數(shù)家庭和企業(yè)必不可少的無(wú)線連接服務(wù)，它能夠提供快速數(shù)據(jù)通信，足以在大多數(shù)家庭中支持多個(gè)音頻和視頻流，而不會(huì)遇到我們?cè)缙诮?jīng)歷的緩沖錯(cuò)誤。除了智能手機(jī)和其他一些設(shè)備外，大多數(shù)Wi-Fi設(shè)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(jìn)以服務(wù)兩種截然不同的應(yīng)用。

Wi-Fi 6和Wi-Fi HaLow

首先，術(shù)語(yǔ)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(hào)表示特定的Wi-Fi標(biāo)準(zhǔn)。您可能會(huì)看到過去提到的標(biāo)準(zhǔn)，例如，在設(shè)備包裝上的802.11b/g/n。在批準(zhǔn)Wi-Fi 6之前，2014年發(fā)布的最新Wi-Fi標(biāo)準(zhǔn)定義為802.11ac，現(xiàn)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(shè)備和其他協(xié)議共享2.4GHz頻率，因此5GHz在實(shí)踐中可能會(huì)提供更好的通信連接。

圖1：Wi-Fi版本序號(hào)。（來源：Wi-Fi聯(lián)盟）

Wi-Fi 6（定義為IEEE 802.11ax）能夠帶來幾方面顯著優(yōu)勢(shì)。首先，技術(shù)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(gè)設(shè)備的連接速度提高了約40％。路由器和連接設(shè)備都需要多個(gè)天線以支持多個(gè)數(shù)據(jù)流，才能實(shí)現(xiàn)這些最大數(shù)據(jù)速率。

與以前的版本相比，Wi-Fi 6使用了不同的調(diào)制技術(shù)，從而在繁忙的公共場(chǎng)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(jìn)/多出數(shù)據(jù)流（MU-MIMO）大大增加了單個(gè)接入點(diǎn)可以服務(wù)的設(shè)備數(shù)量。

Wi-Fi 6還為電池供電設(shè)備引入了“節(jié)電”功能。Wi-Fi 6中的目標(biāo)喚醒時(shí)間（TWT）功能可以使無(wú)線收發(fā)器進(jìn)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(biāo)準(zhǔn)則首次引入了在6GHz頻譜運(yùn)行。

Wi-Fi 6兼容設(shè)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(gè)Tx/Rx天線開關(guān)，發(fā)射器和接收器放大器以及定向耦合器。

另一個(gè)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(lián)盟于2017年推出了Wi-Fi HaLow標(biāo)準(zhǔn)，主要是針對(duì)新興物聯(lián)網(wǎng)（IoT）滿足對(duì)可靠且強(qiáng)大無(wú)線協(xié)議不斷增長(zhǎng)的需求。Wi-Fi HaLow基于IEEE 802.11 ah標(biāo)準(zhǔn)，與Wi-Fi 6相比走到了截然相反的方向（請(qǐng)參見圖2）。

圖2：高帶寬Wi-Fi版本中的Wi-Fi HaLow。（來源：Wi-Fi聯(lián)盟）

Wi-Fi HaLow主要是為了應(yīng)對(duì)電池供電嵌入式IoT設(shè)備（如遠(yuǎn)程傳感器）帶來的相關(guān)技術(shù)挑戰(zhàn)，重點(diǎn)特性包括超低功耗、較低的數(shù)據(jù)速率和擴(kuò)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(jìn)一步降低功耗并延長(zhǎng)電池壽命。

圖3：Wi-Fi HaLow的優(yōu)勢(shì)。（來源：Wi-Fi聯(lián)盟）

Wi-Fi HaLow在低于1GHz的未許可工業(yè)、醫(yī)學(xué)和科學(xué)（ISM）頻譜中運(yùn)行，具有高達(dá)1km的擴(kuò)展作用距離以及對(duì)內(nèi)墻、樹木和建筑物等更小的信號(hào)衰減。150 kbit / s的標(biāo)稱數(shù)據(jù)速率能夠擴(kuò)展到數(shù)十Mbit / s，主要通過由正交頻分多路復(fù)用（OFDM）調(diào)制提供，具有前向誤差校正（FEC）的多入/多出（MIMO）和多個(gè)子載波信道實(shí)現(xiàn)。

IIoT / IoT發(fā)展趨勢(shì)推動(dòng)無(wú)線技術(shù)持續(xù)創(chuàng)新

Wi-Fi HaLow并不是明確為工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）而設(shè)計(jì)的唯一無(wú)線協(xié)議。在開發(fā)Wi-Fi HaLow之前，還有其他兩個(gè)競(jìng)爭(zhēng)協(xié)議Sigfox和LoRa曾經(jīng)進(jìn)入市場(chǎng)，它們都在未許可的1GHz以下ISM頻譜中運(yùn)行。LoRa和Sigfox等低功耗廣域網(wǎng)（LPWAN）在IIoT / IoT應(yīng)用中非常急需，這些應(yīng)用包括智能電表、家庭自動(dòng)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(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)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(shù)據(jù)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(shù)據(jù)包大小固定為8-bytes。如此低的數(shù)據(jù)速率需要非常少量無(wú)線電頻譜，通常只占用100 Hz。一個(gè)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(cè)量值、GPS地理位置坐標(biāo)和設(shè)備狀態(tài)等消息。Sigfox網(wǎng)絡(luò)限制每小時(shí)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(shè)備只與單個(gè)基站進(jìn)行通信，所不同的是，Sigfox設(shè)備信號(hào)可用于作用距離內(nèi)的所有基站。Sigfox設(shè)備首先在給定頻譜內(nèi)的隨機(jī)頻率上發(fā)送消息，然后，在不同頻率和不同時(shí)隙中重復(fù)兩次。這種消息接收和傳輸方法實(shí)現(xiàn)了時(shí)間和頻率分集，這與多個(gè)基站提供的空間分集一起，能夠創(chuàng)建卓越的服務(wù)質(zhì)量（QoS）等級(jí)。

Sigfox能夠提供從基站到運(yùn)營(yíng)支持（OSS）和業(yè)務(wù)支持（BSS）系統(tǒng)的完整網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施（請(qǐng)參見圖4）。

圖4：Sigfox網(wǎng)絡(luò)高級(jí)體系架構(gòu)。（來源：Sigfox）

如此低的占空比可使Sigfox設(shè)備大部分時(shí)間都處于空閑睡眠模式，并能夠最大限度地延長(zhǎng)電池使用壽命。使用低于GHz的頻譜，Sigfox可以根據(jù)地形和鏈路預(yù)算限制提供數(shù)公里的作用范圍。

Sigfox收發(fā)器模塊的一個(gè)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(zhǎng)進(jìn)行編程，最高可達(dá)Sigfox允許的最大+14 dBm。深度睡眠模式電流為100nA，待機(jī)為0.5 mA，發(fā)送時(shí)功率為+ 14 dBm，49 mA。

為了進(jìn)行初始開發(fā)和制作原型，安森美半導(dǎo)體EU-Sigfox能夠以Arduino Uno屏蔽尺寸提供一個(gè)方便易用的評(píng)估板。

LoRa

LoRa與Sigfox略有不同。首先，LoRa是遠(yuǎn)程的縮寫，它定義了用于通信的專有協(xié)議和調(diào)制技術(shù)。半導(dǎo)體供應(yīng)商Semtech開發(fā)了LoRa技術(shù)，并擁有LoRa IP的許可授權(quán)。 LoRa聯(lián)盟負(fù)載管理LoRa LPWAN基礎(chǔ)設(shè)施。網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施和社區(qū)運(yùn)營(yíng)商按國(guó)家/地區(qū)許可，每個(gè)國(guó)家/地區(qū)通常有多個(gè)運(yùn)營(yíng)商。社區(qū)運(yùn)營(yíng)商方面的一個(gè)例子是非常受歡迎的The Things Network。

LoRa估計(jì)，在農(nóng)村地區(qū)視線距離內(nèi)，設(shè)備到網(wǎng)關(guān)的作用距離最高為15公里，而在人口稠密的城市地區(qū)，設(shè)備到網(wǎng)關(guān)作用距離最高5公里。 LoRa使用的調(diào)制技術(shù)是專有的改良版線性調(diào)頻擴(kuò)頻（CSS）技術(shù)。有兩個(gè)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(diào)制方法采用擴(kuò)展碼技術(shù)，能夠定義從標(biāo)稱到擴(kuò)展信號(hào)的寬度。信號(hào)擴(kuò)展越寬，數(shù)據(jù)速率就越大，但是預(yù)期作用距離會(huì)減小。共有六個(gè)擴(kuò)展代碼。需要權(quán)衡取舍信道帶寬、數(shù)據(jù)速率、鏈路功率預(yù)算和廣播時(shí)間。所有這些因素都會(huì)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(shù)據(jù)速率。

圖5：基于擴(kuò)頻因子、信道帶寬和最大有效載荷的LoRa數(shù)據(jù)速率。（來源：Semtech）

對(duì)于不同地區(qū)，可用的125 kHz和500 kHz通道數(shù)量也不同。同樣，特定國(guó)家或地區(qū)的LPWAN運(yùn)營(yíng)商將確定連接設(shè)備以及發(fā)送/接收消息的數(shù)量。 LoRa收發(fā)器的一個(gè)示例是Semtech LR1110，它包含一個(gè)LoRa收發(fā)器，一個(gè)GNSS接收器，一個(gè)數(shù)字前端和一個(gè)加密引擎。發(fā)射器提供兩個(gè)輸出級(jí)選項(xiàng)，一個(gè)+22dBm和一個(gè)高效率+15dBm。

無(wú)線通信標(biāo)準(zhǔn)不斷發(fā)展

在本文中，我們重點(diǎn)介紹了Wi-Fi和兩種LPWAN通信技術(shù)的最新進(jìn)展。隨著更多應(yīng)用的不斷出現(xiàn)，無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)權(quán)威機(jī)構(gòu)和RF架構(gòu)師將會(huì)設(shè)計(jì)出更新穎，且高度優(yōu)化的無(wú)線協(xié)議，以滿足全新應(yīng)用的特定要求。其中一些創(chuàng)新可能會(huì)基于Wi-Fi等現(xiàn)有技術(shù)，而另外一些創(chuàng)新則可能會(huì)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(shù)目前正在蓬勃發(fā)展，這種技術(shù)最初只是用于汽車鑰匙扣和測(cè)距等任務(wù)，它具備的超低延遲、低功耗和鏈路靈活性等特點(diǎn)使其適合于各種消費(fèi)和汽車應(yīng)用。

無(wú)線通信標(biāo)準(zhǔn)的演進(jìn)始終處于電子行業(yè)的最前沿。