選擇合適的無線技術(shù)(一):頻譜、通信距離和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/h1>
當(dāng)今有許多不同的無線標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議在使用,要為任何特定的應(yīng)用選擇合適的技術(shù)可能很困難。在這篇文章中,我們將探討一些需要考慮的關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn),并評介四個流行的選項:Wi-Fi? 技術(shù)(無線保真)、藍(lán)牙低功耗(Bluetooth? Low Energy) 技術(shù)、專有射頻(RF) 和來自連接性標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)盟(Connectivity Standards Alliance?) 的Green Power? 協(xié)議。
本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/202202/431482.htm圖1 無線技術(shù)考量因素
在選擇無線技術(shù)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(guān)聯(lián)的,因為要考慮到前后兼容的權(quán)衡。有利的是,由于大多數(shù)技術(shù)都是基于標(biāo)準(zhǔn)并且為特定應(yīng)用和生態(tài)系統(tǒng)而設(shè)計的,因此許多權(quán)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(yīng)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(nèi)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(guān)系。
圖2 無線技術(shù)對比
1 頻譜
Wi-Fi、藍(lán)牙低功耗(Bluetooth LE)和Zigbee?(紫蜂,IEEE 802.15.4)技術(shù)使用2.4 GHz 頻段的免授權(quán)頻譜。2.4 GHz(吉赫茲)是全球免授權(quán)頻段,隨著集成Wi-Fi 和藍(lán)牙低功耗的手機的普及,2.4 GHz 的使用基本上已標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)。
有一些區(qū)域性的Sub-GHz(低于1 吉赫茲)頻段也是免授權(quán)的,但沒有一個全球性的頻率標(biāo)準(zhǔn)。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(yīng)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(yīng)商如安森美(onsemi) 支持通用的硬件設(shè)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(shù)也支持Sub-GHz 頻段,但2.4 GHz 在當(dāng)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(quán)頻譜
授權(quán)頻譜的使用也很常見,但通常只用于關(guān)鍵或大規(guī)模的部署。一些例子包括衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)和智能電表網(wǎng)絡(luò)。商業(yè)應(yīng)急服務(wù)也使用授權(quán)頻段。使用授權(quán)頻譜的主要驅(qū)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(quán)頻譜。
2 通信距離
通信距離是個復(fù)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(shù)協(xié)議本身。
Wi-Fi、Bluetooth LE 和Zigbee/802.15.4 已針對它們的預(yù)期用例調(diào)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(shè)計人員的責(zé)任。
通信距離與頻段成反比。一個近似的經(jīng)驗法則是,當(dāng)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(dāng)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(dāng)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(nèi)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(luò)并提供所需的性能水平。
專有協(xié)議的具體內(nèi)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(diào)整的協(xié)議參數(shù),如:
● 前導(dǎo)碼長度和用于訓(xùn)練接收器鎖定輸入信號的訓(xùn)練序列;
● 數(shù)據(jù)和協(xié)議的有效載荷;
● 使用的調(diào)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(shè)計專有協(xié)議時涉及的一些參數(shù)。因為所有的微調(diào)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(diào)的。
3 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/strong>
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(luò)相關(guān)的不可避免的現(xiàn)實情況,必須在做決定之前考慮。現(xiàn)在我們只考慮Bluetooth LE 和Zigbee 技術(shù),它們都有網(wǎng)狀功能。
根據(jù)定義,藍(lán)牙低功耗是一種短距離的點對點網(wǎng)絡(luò),這也是它的常用方式。然而,在過去的幾年里,藍(lán)牙技術(shù)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(guān)通信的便利性。
圖4 藍(lán)牙低功耗網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/em>
然而,網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)應(yīng)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(luò)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(yīng)用中,這可能成為一個問題。
網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的另一個不太明顯的好處是,它增加了網(wǎng)絡(luò)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(luò)可擴展到比單一P2P 連接所能達(dá)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(fù)雜的軟件和更大的內(nèi)存,不僅要存儲堆棧,還要存儲網(wǎng)絡(luò)的路由表,這就增加了成本。
在可行的情況下,星型網(wǎng)絡(luò)(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(luò)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(diào)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(luò)(P2P)。通信距離較遠(yuǎn)的部分原因是Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)的發(fā)射功率通常在+30 dBm(1 瓦)左右,所以通信距離較遠(yuǎn)。一個典型的藍(lán)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(dá)+20 dBm,但除了網(wǎng)關(guān)之外,這種情況不太常見。如果沒有網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò),藍(lán)牙低功耗通信距離通常被限制在10 米左右,Zigbee 技術(shù)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(wù)質(zhì)量,網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)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(luò)認(rèn)證計劃,保證了來自不同供應(yīng)商的Wi-Fi 節(jié)點和控制器能互操作和協(xié)調(diào),以保持統(tǒng)一和有效的覆蓋。
4 總結(jié)
本文介紹了工程師在設(shè)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(luò)拓?fù)浜托阅苋∩帷Ec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(shè)計選擇合適的無線技術(shù)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(chǎn)品世界》雜志2022年2月期)
當(dāng)今有許多不同的無線標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議在使用,要為任何特定的應(yīng)用選擇合適的技術(shù)可能很困難。在這篇文章中,我們將探討一些需要考慮的關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn),并評介四個流行的選項:Wi-Fi? 技術(shù)(無線保真)、藍(lán)牙低功耗(Bluetooth? Low Energy) 技術(shù)、專有射頻(RF) 和來自連接性標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)盟(Connectivity Standards Alliance?) 的Green Power? 協(xié)議。
本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/202202/431482.htm圖1 無線技術(shù)考量因素
在選擇無線技術(shù)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(guān)聯(lián)的,因為要考慮到前后兼容的權(quán)衡。有利的是,由于大多數(shù)技術(shù)都是基于標(biāo)準(zhǔn)并且為特定應(yīng)用和生態(tài)系統(tǒng)而設(shè)計的,因此許多權(quán)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(yīng)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(nèi)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(guān)系。
圖2 無線技術(shù)對比
1 頻譜
Wi-Fi、藍(lán)牙低功耗(Bluetooth LE)和Zigbee?(紫蜂,IEEE 802.15.4)技術(shù)使用2.4 GHz 頻段的免授權(quán)頻譜。2.4 GHz(吉赫茲)是全球免授權(quán)頻段,隨著集成Wi-Fi 和藍(lán)牙低功耗的手機的普及,2.4 GHz 的使用基本上已標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)。
有一些區(qū)域性的Sub-GHz(低于1 吉赫茲)頻段也是免授權(quán)的,但沒有一個全球性的頻率標(biāo)準(zhǔn)。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(yīng)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(yīng)商如安森美(onsemi) 支持通用的硬件設(shè)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(shù)也支持Sub-GHz 頻段,但2.4 GHz 在當(dāng)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(quán)頻譜
授權(quán)頻譜的使用也很常見,但通常只用于關(guān)鍵或大規(guī)模的部署。一些例子包括衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)和智能電表網(wǎng)絡(luò)。商業(yè)應(yīng)急服務(wù)也使用授權(quán)頻段。使用授權(quán)頻譜的主要驅(qū)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(quán)頻譜。
2 通信距離
通信距離是個復(fù)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(shù)協(xié)議本身。
Wi-Fi、Bluetooth LE 和Zigbee/802.15.4 已針對它們的預(yù)期用例調(diào)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(shè)計人員的責(zé)任。
通信距離與頻段成反比。一個近似的經(jīng)驗法則是,當(dāng)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(dāng)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(dāng)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(nèi)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(luò)并提供所需的性能水平。
專有協(xié)議的具體內(nèi)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(diào)整的協(xié)議參數(shù),如:
● 前導(dǎo)碼長度和用于訓(xùn)練接收器鎖定輸入信號的訓(xùn)練序列;
● 數(shù)據(jù)和協(xié)議的有效載荷;
● 使用的調(diào)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(shè)計專有協(xié)議時涉及的一些參數(shù)。因為所有的微調(diào)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(diào)的。
3 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/strong>
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(luò)相關(guān)的不可避免的現(xiàn)實情況,必須在做決定之前考慮。現(xiàn)在我們只考慮Bluetooth LE 和Zigbee 技術(shù),它們都有網(wǎng)狀功能。
根據(jù)定義,藍(lán)牙低功耗是一種短距離的點對點網(wǎng)絡(luò),這也是它的常用方式。然而,在過去的幾年里,藍(lán)牙技術(shù)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(guān)通信的便利性。
圖4 藍(lán)牙低功耗網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/em>
然而,網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)應(yīng)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(luò)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(yīng)用中,這可能成為一個問題。
網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)的另一個不太明顯的好處是,它增加了網(wǎng)絡(luò)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(luò)可擴展到比單一P2P 連接所能達(dá)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(fù)雜的軟件和更大的內(nèi)存,不僅要存儲堆棧,還要存儲網(wǎng)絡(luò)的路由表,這就增加了成本。
在可行的情況下,星型網(wǎng)絡(luò)(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(luò)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(diào)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(luò)(P2P)。通信距離較遠(yuǎn)的部分原因是Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)的發(fā)射功率通常在+30 dBm(1 瓦)左右,所以通信距離較遠(yuǎn)。一個典型的藍(lán)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(dá)+20 dBm,但除了網(wǎng)關(guān)之外,這種情況不太常見。如果沒有網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò),藍(lán)牙低功耗通信距離通常被限制在10 米左右,Zigbee 技術(shù)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(wù)質(zhì)量,網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)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(luò)認(rèn)證計劃,保證了來自不同供應(yīng)商的Wi-Fi 節(jié)點和控制器能互操作和協(xié)調(diào),以保持統(tǒng)一和有效的覆蓋。
4 總結(jié)
本文介紹了工程師在設(shè)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(luò)拓?fù)浜托阅苋∩帷Ec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(shè)計選擇合適的無線技術(shù)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(chǎn)品世界》雜志2022年2月期)
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