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技術(shù)的不斷發(fā)展演進(jìn)是電子行業(yè)一個(gè)永恒特征，我們每天都會(huì)看到電子技術(shù)的許多層面都有創(chuàng)新出現(xiàn)，無(wú)線協(xié)議和通信技術(shù)也不例外。本文將討論當(dāng)前和新興的無(wú)線規(guī)范，以及它們的發(fā)展歷程。我們也將回顧最近Wi-Fi 6和Wi-Fi HaLow的迭代話題，以及市場(chǎng)流行的物聯(lián)網(wǎng)低功耗廣域網(wǎng)（LPWAN）協(xié)議Sigfox和LoRa（遠(yuǎn)程）。

無(wú)線通信：當(dāng)今互聯(lián)社會(huì)的關(guān)鍵

30年前，第一個(gè)Wi-Fi協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)誕生，但又過(guò)了六年，IEEE才批準(zhǔn)IEEE 802.11中的Wi-Fi。今天，我們已經(jīng)離不開Wi-Fi，基于這種無(wú)線技術(shù)的互聯(lián)網(wǎng)連接已經(jīng)變得幾乎與電力等基本公用事業(yè)一樣重要，我們?cè)诩依铩④嚴(yán)锖凸矆?chǎng)所都需要連接到Wi-Fi，單在我們家里就可能有幾十種聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，從智能恒溫器、健身追蹤器、門鈴到媒體播放器等。

當(dāng)一項(xiàng)無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)變得越來(lái)越普及后，它往往會(huì)吸引更多的應(yīng)用案例。而每一種新應(yīng)用都會(huì)擴(kuò)展其功能，技術(shù)進(jìn)步有助于使無(wú)線協(xié)議在作用距離、數(shù)據(jù)傳輸速率和最大連接設(shè)備數(shù)量等方面不斷提升。隨著無(wú)線協(xié)議不斷適應(yīng)以容納更多應(yīng)用，標(biāo)準(zhǔn)管理機(jī)構(gòu)需要考慮推出標(biāo)準(zhǔn)修訂的必要性，以適應(yīng)新應(yīng)用案例的特定需求。

讓我們開始以Wi-Fi為例來(lái)分析一下無(wú)線協(xié)議?，F(xiàn)在，Wi-Fi被認(rèn)為是一種無(wú)處不在的常用服務(wù)，而且已經(jīng)取得了顯著進(jìn)步，遺留的一些不足包括我們可能是第一次遇到的緩沖延遲。當(dāng)下，Wi-Fi能夠?yàn)槲覀兊闹悄茈娨暋?a class="article-link" target="_blank" href="/tag/%E6%99%BA%E8%83%BD%E6%89%8B%E6%9C%BA/">智能手機(jī)和媒體播放器提供高帶寬多種混合媒體流，它可能是我們?nèi)粘Ｊ褂玫乃俣茸羁?a class="article-link" target="_blank" href="/baike/1540852.html">無(wú)線數(shù)據(jù)通信協(xié)議。然而，適應(yīng)新的應(yīng)用案例已經(jīng)成為Wi-Fi技術(shù)的常態(tài)，因此我們需要凸顯一種新的Wi-Fi協(xié)議，它的速度并不那么重要。

Wi-Fi 6和Wi-Fi HaLow

Wi-Fi 6

Wi-Fi 6是Wi-Fi聯(lián)盟推出的最新Wi-Fi協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，這也是第一次將標(biāo)準(zhǔn)版本號(hào)納入Wi-Fi標(biāo)識(shí)。以前，早期的Wi-Fi標(biāo)準(zhǔn)使用IEEE規(guī)范802.11 b/g/n來(lái)表示支持哪個(gè)版本（參見(jiàn)圖1）。在Wi-Fi 6發(fā)布之前，最后一個(gè)使用802.11標(biāo)識(shí)的協(xié)議是802.11ac，現(xiàn)在被稱為Wi-Fi 5，它可以在現(xiàn)有2.4GHz頻段和新的5GHz頻譜中運(yùn)行。與日益擁擠的2.4GHz頻段相比，Wi-Fi 5能夠在5GHz頻段提供更可靠連接，但來(lái)自墻壁、地板和天花板的衰減會(huì)降低其室內(nèi)作用距離。

圖1：IEEE 802.11 Wi-Fi版本號(hào)列表。（來(lái)源：Wi-Fi聯(lián)盟）

最新的Wi-Fi版本W(wǎng)i-Fi 6也被稱為IEEE 802.11ax，它增加了一些在技術(shù)層面的改進(jìn)。與Wi-Fi 5的理論最大傳輸速率6933Mbits/s相比，Wi-Fi 6可以實(shí)現(xiàn)9608Mbits/s，這意味著路由器連接到單個(gè)設(shè)備的帶寬提高了40%。為了實(shí)現(xiàn)這些理論上的最大速率，路由器和接收設(shè)備上都需要設(shè)計(jì)多個(gè)數(shù)據(jù)流和多個(gè)天線。

另一個(gè)區(qū)別是，與Wi-Fi 5相比，Wi-Fi 6使用了不同的調(diào)制技術(shù)，即正交頻分多址（OFDMA），以實(shí)現(xiàn)更高的連接性能和可靠性，特別是在大型體育場(chǎng)和其他公共場(chǎng)所。多用戶、多輸入和多輸出數(shù)據(jù)流（MU-MIMO）顯著增加了路由器或接入點(diǎn)可以服務(wù)的連接設(shè)備數(shù)量。

Wi-Fi 6的一個(gè)有趣之處在于，它包含一種專門為支持電池供電設(shè)備而設(shè)計(jì)的節(jié)能模式。盡管Wi-Fi具有令人印象深刻的帶寬能力，但它一直被認(rèn)為是一種相當(dāng)耗電的協(xié)議，最好由主電源或線路供電。然而，對(duì)于Wi-Fi 6，目標(biāo)喚醒時(shí)間（TWT）功能允許無(wú)線收發(fā)器在節(jié)省電力的睡眠模式和偶爾輪詢路由器兩者之間切換，而不是不斷輪詢路由器。Wi-Fi 6E也是首次支持新的6GHz頻帶。

Wi-Fi 6認(rèn)證的前端模塊目前已經(jīng)面市，例如Qorvo的QPF4551前端模塊和Intel? AX201 Wi-Fi 6模塊。

Wi-Fi HaLow

2017年，Wi-Fi聯(lián)盟推出了Wi-Fi HaLow（IEEE 802.11ah）標(biāo)準(zhǔn)，以滿足不斷增長(zhǎng)的物聯(lián)網(wǎng)（IoT）市場(chǎng)對(duì)高度可靠以及牢固的無(wú)線連接需求。Wi-Fi HaLow更加強(qiáng)調(diào)遠(yuǎn)距離、低功耗和低帶寬鏈路，與早期的提高性能相比，Wi-Fi HaLow的演進(jìn)轉(zhuǎn)到了一個(gè)不同方向（參見(jiàn)圖2和圖3）。Wi-Fi HaLow專為功率受限、電池供電的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備設(shè)計(jì)，其中需要配備超低功耗嵌入式無(wú)線微控制器和傳感器，同時(shí)整合Wi-Fi 6的TWT節(jié)能模式。

圖2：Wi-Fi HaLow在高帶寬Wi-Fi版本家族中的特性對(duì)比。（來(lái)源：Wi-Fi聯(lián)盟）

圖3：Wi-Fi HaLow優(yōu)勢(shì)比較。（來(lái)源：Wi-Fi聯(lián)盟）

Wi-Fi HaLow沒(méi)有使用傳統(tǒng)的2.4GHz和5GHz無(wú)線頻譜，而是使用未經(jīng)許可的亞GHz工業(yè)、醫(yī)療和科學(xué)（ISM）頻帶。由于是在較低頻率下運(yùn)行，通常由室內(nèi)墻壁、建筑物和植被造成的路徑損耗顯著降低，典型的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接距離可達(dá)1公里。數(shù)據(jù)速率取決于多輸入多輸出（MIMO）和具有前向糾錯(cuò)（FEC）技術(shù)子載波OFDM信道的使用，數(shù)據(jù)速率從150kbits/s到幾十Mbits/s。

低功耗廣域網(wǎng)（LPWAN）適用于IIoT/IoT部署

從邊緣節(jié)點(diǎn)傳感器到云端平臺(tái)，盡管在整個(gè)物聯(lián)網(wǎng)部署中采用Wi-Fi具有很大吸引力，但Wi-Fi HaLow并不是這些能源受限設(shè)備可選的唯一無(wú)線協(xié)議。在HaLow推出之前，兩種LPWAN無(wú)線協(xié)議已經(jīng)在市場(chǎng)上站穩(wěn)了陣腳。與Wi-Fi HaLow一樣，Sigfox和LoRa運(yùn)行在亞GHz ISM頻譜，它們具有較遠(yuǎn)作用距離、低功耗和充足的數(shù)據(jù)速率等特性，使其成為智能農(nóng)業(yè)、公用事業(yè)計(jì)量和智能城市基礎(chǔ)設(shè)施等廣泛物聯(lián)網(wǎng)/IIoT應(yīng)用的理想選擇。然而，與使用基于客戶路由器的Wi-Fi不同，Sigfox和LoRa需要訂閱服務(wù)提供商的LPWAN基礎(chǔ)設(shè)施。

Sigfox

Sigfox協(xié)議可提供100bits/s或600bits/s的相當(dāng)?shù)蛶?，以?2字節(jié)的總上行鏈路有效載荷。該協(xié)議在歐洲868MHz至868.2MHz頻譜中占據(jù)了192kHz的超窄帶寬，在世界其他地區(qū)902MHz至928MHz頻譜中也只占據(jù)超窄帶寬。下載數(shù)據(jù)包大小固定為僅8個(gè)字節(jié)，足夠用于消息確認(rèn)，但不能用于實(shí)現(xiàn)固件的無(wú)線更新。此外，其網(wǎng)絡(luò)限制每天接收不超過(guò)四條消息。12字節(jié)的上傳數(shù)據(jù)包通常足以發(fā)送常規(guī)傳感器參數(shù)，例如緯度和經(jīng)度位置坐標(biāo)、狀態(tài)條件和傳感器讀數(shù)等。然而，Sigfox網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商限制每小時(shí)發(fā)送不超過(guò)6個(gè)12字節(jié)的數(shù)據(jù)包，或每天發(fā)送140個(gè)數(shù)據(jù)包。

Sigfox的傳輸拓?fù)涫褂脧V播方式，而不是與單個(gè)基站連接的蜂窩技術(shù)。因此，Sigfox設(shè)備的消息會(huì)被發(fā)送到作用范圍內(nèi)的所有可用基站。最初，Sigfox設(shè)備會(huì)在特定地區(qū)或國(guó)家頻譜內(nèi)隨機(jī)選擇的頻率加載上行鏈路消息，之后，它在不同的頻率和時(shí)隙上重復(fù)兩次。這種時(shí)間和頻率空間分集方法造就了卓越的服務(wù)質(zhì)量水平。圖4所示為Sigfox網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的體系架構(gòu)，其中包括設(shè)備、基站、到運(yùn)行支持（OSS）和業(yè)務(wù)支持（BSS）系統(tǒng)。

圖4：Sigfox LPWAN網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)。（來(lái)源：Sigfox）

Sigfox連接節(jié)點(diǎn)具有極低占空比優(yōu)勢(shì)，可使其在大部分時(shí)間內(nèi)保持節(jié)能睡眠模式，有助于延長(zhǎng)紐扣電池多年壽命周期。雖然作用距離通常高達(dá)9公里，但與所有其它無(wú)線鏈路一樣，這取決于地形、障礙物和可用鏈路資源。

Sigfox收發(fā)器模塊的一個(gè)示例是來(lái)自LPRS的eRIC-SIGFOX，該模塊的發(fā)射輸出功率高達(dá)+14dBm，可按1dBm步進(jìn)編程。onsemi的 EU-Sigfox具有Arduino Uno屏蔽尺寸大小，可為初始項(xiàng)目評(píng)估和原型設(shè)計(jì)提供了一個(gè)方便的評(píng)估板。

LoRa

盡管Sigfox和LoRa都可提供LPWAN功能，但LoRa能夠定義一種專有的通信協(xié)議和調(diào)制方法。LoRa LPWAN網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施由半導(dǎo)體供應(yīng)商Semtech（提供LoRa IP許可）開發(fā)，并由LoRa聯(lián)盟管理，該聯(lián)盟負(fù)責(zé)在特定地區(qū)和國(guó)家授權(quán)許可網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施服務(wù)提供商和社區(qū)運(yùn)營(yíng)商，而全球社區(qū)運(yùn)營(yíng)商的一個(gè)范例則是廣受歡迎的物聯(lián)網(wǎng)。

LoRa網(wǎng)絡(luò)設(shè)備到網(wǎng)關(guān)的作用距離在農(nóng)村地區(qū)可以達(dá)到15公里的視距，在人口稠密的城市地區(qū)通常不超過(guò)5公里。LoRa調(diào)制技術(shù)采用專有的線性調(diào)頻擴(kuò)頻（CSS）協(xié)議，具有125kHz或500kHz的兩個(gè)上行鏈路信道帶寬和500kHz的固定下行鏈路。一組六個(gè)擴(kuò)展碼定義了信號(hào)頻率從標(biāo)稱頻率擴(kuò)展多遠(yuǎn)，隨著比特率增加，作用范圍隨著擴(kuò)展碼增加而減小。信道寬度、數(shù)據(jù)速率和鏈路方面的權(quán)衡都會(huì)影響電池壽命和可靠的工作范圍。圖5說(shuō)明了可能的上行鏈路和下行鏈路數(shù)據(jù)速率。除了在連接設(shè)備最大數(shù)量和每日消息方面的限制外，可用的125kHz和500kHz信道數(shù)量也因不同地區(qū)和運(yùn)營(yíng)商而異。