无线技术 － 如何选择？

By:安森美高级首席方案营销工程师Dan Clement

市场上目前有很多不同的无线标准和协议，因此为特定应用选择合适的技术并不是一件容易的事。本文将介绍四种常见技术：Wi-Fi^®、蓝牙^® 低功耗协议、Sub GHz 专有射频、来自连接标准联盟^®（前 Zigbee 联盟^®）的 Green Power™ 协议。

Wi-Fi 6E

首先介绍广为人知的技术：Wi-Fi。我们都非常熟悉 Wi-Fi，因为它广泛应用在人们的生活和工作中，几乎无处不在。我们的所有设备，从计算机和电视到手机和笔记本电脑，都利用 Wi-Fi 网络上运行。很多汽车甚至国际航班现在也有 Wi-Fi。

据 Wi-Fi 联盟估算，仅 2021 年，Wi-Fi 将为美国经济创造 3 万亿美元价值。Wi-Fi 是连接我们与互联网的桥梁。

最新的 Wi-Fi 标准是 802.11ax，也称为 Wi-Fi 6。Wi-Fi 5（即 802.11ac）在无线方面实现了巨大进步。Wi-Fi 6 则在网络和安全方面做出了更多改进。Wi-Fi 6 是目前为止性能最好的一版协议，迅速在全世界得到广泛应用。以下是 Wi-Fi 6 的技术改进及其优势（资料来源：Wi-Fi 联盟，2021）。

• 多用户-多输入多输出 (MU-MIMO)：允许一次传输更多的下行链路数据，让接入点同时将数据传输到更多设备
• 160 MHz 信道：增加带宽以提供更出色的性能，保持低延迟
• 目标唤醒时间 (TWT)：显著改善 Wi-Fi 设备中的电池续航能力，例如在物联网 (IoT) 设备中
• 1024 正交振幅调制模式 (1024-QAM)：在等量频谱中编码更多数据，从而提高 Wi-Fi 设备的吞吐量
• 发射波束成形：在给定范围内实现更高的数据速率，从而提高网络容量
• 正交频分多址接入 (OFDMA)：有效地共享信道以提高网络效率，在高需求环境中为上行链路和下行链路流量降低延迟
• 积极制定标准：IEEE 802.11 工作组持续制定新标准和改进现有标准以提升性能和安全性，帮助用户紧跟不断变化的趋势。最新标准 802.11ax，也称为 Wi-Fi 6，近期已获得批准。下一个版本预期为 802.11be，目前正在开发中。Wi-Fi 联盟继续通过其认证计划倡导和促进 Wi-Fi 创新。
• 庞大的生态系统：确保技术永不落后，并不断增加更多价值

您可能已经注意到这个部分的标题为“Wi-Fi 6E”。“E”代表什么呢？E 代表 6 GHz 支持，这是一个令人惊叹的新特性，极大改进了网络性能。

与前几代 Wi-Fi 相比，Wi-Fi 6E 有两项重大改进。首先，在新的 6 GHz 频段中，很少存在拥塞。这使所有网络更高效运行，因为共存问题在 2.4 GHz 甚至现在的 5 GHz 频段中很常见，而新频段减少了这些问题。另一大优势是 6 GHz 提供了大量频谱，因此能建立更宽、更多的信道。这样可以创建信息流高速公路，以更高的速度和最小的延迟传输信息。美国 FCC 率先批准在 6 GHz 频段中使用新的未授权频谱。随后，英国和欧盟等其他地区也相继批准。新频谱预计将很快在全球得到批准。

安森美是 Wi-Fi 联盟的核心成员，积极帮助制定标准，并且凭借不断创新和众多专利，引领 Wi-Fi 技术前沿。因此，安森美的 Wi-Fi 解决方案处于业界领先地位，在许多专业级产品中得以应用。

以安森美的 QCS-AX2 芯片组系列为例，该系列产品针对高速 Wi-Fi 6 系统进行了优化，提供三频段支持，包括 2.4 GHz、5 GHz 和 6 GHz 频段。

图 1：安森美的 QCS-AX2 芯片组系列

无论是现在还是长久的未来，Wi-Fi 始终是一种关键技术。有人认为 5G 将会取代 Wi-Fi，但根本不可能。Wi-Fi 与 5G 完全互补，两者速度和延迟接近，但 Wi-Fi 的总拥有成本更低。

Wi-Fi 非常适合在适度范围内，以超快的速度传输大量的数据。它是播放视频流和近实时地控制机器人的理想选择，但不太适合物联网中常见的电池供电型低占空比节点。

蓝牙低功耗

这些设备的解决方案通常是蓝牙低功耗 (Bluetooth LE)。蓝牙低功耗是曾经的主流技术传统蓝牙的低功耗版本。传统蓝牙最初是为了取代线缆连接技术，因为它针对多种功能进行了优化，包括需要更高速度的文件传输和音频流。速度提高意味着需要更高的功率，对于以电池供电的物联网节点而言，传统蓝牙并非理想选择。

随着传统蓝牙的日益普及，最终为手机所用，目前仍是手机广泛采用的技术。随着蓝牙技术的演进，人们开发了一种低功耗、低占空比版本，名为蓝牙智能，现在称为蓝牙低功耗。它的诞生恰逢其时，因为物联网发展势头迅猛，智能手机已经内置蓝牙低功耗无线功能，这得益于很多蓝牙芯片同时支持两种版本。由于所有终端节点都属于物联网中的“物”，它们需要将数据发送至云端，才能成为接入物联网的设备，手机中的蓝牙低功耗无线功能是弥补技术缺陷的自然选择。

正因如此，在过去几年内，蓝牙低功耗技术得到了迅速采用。据蓝牙技术联盟预测，2021 年蓝牙设备出货量将达到 45 亿。主要应用包括音频流、数据传输、定位服务和网络。

蓝牙低功耗的主要优势如下。

• 在全球范围使用未授权的 2.4 GHz 频段：同一产品可以在全球范围内使用
• 蓝牙使用小型高效数据包：无线传输时间短、传输速度快、功耗低
• 强大的干扰处理机制：蓝牙低功耗使用选定的广播信道，最大程度减少对 Wi-Fi 的干扰。还可以使用自适应跳频来跟踪拥堵信道，通过每次扫描信道列表来避开繁忙的信道。
• 智能手机采用蓝牙低功耗技术：让任何蓝牙低功耗节点都能通过移动应用与云端通信
• 积极制定标准：蓝牙技术联盟不断增加新服务，提供更多的无线电模式和选择。例如，现在有一种长距离模式，能够显著扩大传输范围（但缺点是吞吐量低）。
• 庞大的生态系统：确保技术永不落后，并不断增加更多价值

图 2：安森美半导体的 RSL10 SIP

安森美推出预先认证的 RSL10 SIP，它基于屡获殊荣的 RSL10 无线电芯片。该系统级封装 (SiP) 将 RSl10 无线电芯片、天线和所有分立式元器件及晶体都集成在 6 mm x 6 mm 封装中。RSL10 无线电芯片具有行业最低的功耗，接收数据时的峰值电流仅为 3 mA，发送数据时的峰值电流为 4.6 mA（均在 3 V 电压下测得）。它还提供深度睡眠模式，此时仅消耗 25 nA 电流。凭借低功耗优势，基于 RSL10 的电池供电型解决方案能够使用单个电池运行长达二十年。

RSL10 的低功耗还能够实现能量采集物联网应用，即系统从周边环境中采集电能的应用。例如，在开关按下时，它使用 RSL10 发送信号，所需的电能从压电元件获取。如果没有障碍物，不需要线缆，它可用于实现楼宇自动化，作为电灯开关使用，或者在工厂环境中用作应急按钮，在汽车中用作无线安全带传感器。

图 3：安森美的能源采集蓝牙低功耗开关

连接标准联盟（前 Zigbee 联盟）开发的 Green Power 协议

正如蓝牙低功耗是全新的低功耗版本蓝牙一样，Green Power 协议也是 Zigbee 3.0 的低功耗版本。Zigbee 3.0 设备同样是低功耗设备，可以依靠电池电量工作数年，但功耗水平不足以依靠采集的能量运行。作为 Zigbee 3.0 协议的简化版本，Green Power 可以满足这种需求。

Green Power 的数据包结构比较小，协议开销非常低。这样可以最大程度减少无线传输时间，从而节省大量电能。由于协议开销降低，因而很容易实现无电池运行。这种技术的应用与蓝牙低功耗相似：应急按钮、开关、传感器等。事实上，无电池和免维护才是物联网真正的万能法宝。

由于协议进行了简化，因此 Green Power 节点与 Zigbee 3.0 节点之间就需要代理设备进行通信。Zigbee 3.0 中的所有路由器设备必须认证代理功能。Green Power 节点采用不同的简化堆栈，具有单独的认证。

推动这些能量采集设计得到大规模应用的主要因素是收集器本身的成本。与任何新技术一样，成本一定会继续下降，解决方案终将进入市场。这种解决方案具备成本低、耗电少、安装灵活的优势，具备肉眼可见的经济优势，势必会引起市场关注。

2020 年，安森美发布了支持 Strata 的 Zigbee® Green Power 套件。该套件基于 NCS36510 SoC，包括一个 Zigbee 协调器 USB 设备，它与 Strata 和两个能量采集节点连接，这些节点充当 C.S.A.® Green Power 设备。

Sub GHz 专有射频

上文介绍的三种解决方案（Wi-Fi、蓝牙低功耗和 Green Power）都是基于标准的协议，由行业联盟管理和维护，主要用于实现设备互操作性。由于品牌认知度，消费者期望他们购买的带有相关徽标的任何产品都能够正常工作。要想确保这一点，设备和产品认证是非常关键的一部分。

虽然标准化可以带来巨大优势，但它是一个长期过程，需要专门投入资源，紧跟标准演进和变化的趋势。但是，在开发具有长期路线图的产品时，标准化不一定是坏事，应当予以考虑。

另一种方法是围绕频率在 1 GHz 以下 (Sub GHz) 的非标准专有解决方案来建立无线连接。这让您能够针对特定要求来选择最高效的解决方案，而不会产生标准解决方案的成本或能耗开销。专有协议可能比较简单，也可能非常复杂，这取决于具体要求，它没有昂贵的认证或会员费用，也无需强制更新以跟上演进的标准。

Sub GHz 专有协议的另一大优势是频率较低，因此传输范围更长。频率越低，信号传播得越远。在某些应用中，使用 Sub GHz 专有协议构建星型网络比构建由 2.4 GHz 蓝牙低功耗或 Zigbee 节点组成的网状网络更具经济效益。

总结

在本文中，我们介绍了多种无线连接解决方案，探讨了各自的大体优势。了解有哪些可用的技术及其优势，是规划新无线产品设计的第一步。 

下面的汇总表格对各项协议进行了直观对比。

表 1无线协议 - 规范

在后续的文章中，我们将更深入地探讨您在设计无线系统时应该考虑权衡的各种问题。