了解最新无线协议最新进展

电子行业从未止步不前。技术创新和发展不断驱动着全球电子行业的进步，并使技术应用范围不断扩展。无线通信就是一个例子，Wi-Fi、蓝牙和蜂窝通信可能是大家所熟悉且非常信赖的技术。但是，当今这些技术的参数和性能已经在最初开发基础上有了很大改进。

在本文中，我们在讨论LPWAN、Sigfox和LoRa进展之前，首先回顾一下最近的无线技术创新，包括Wi-Fi 6和Wi-Fi HaLow等技术。

当今互联社会中必不可少的无线通信

很难相信Wi-Fi今年将迎来30周年纪念。当年IEEE花费了六年时间才批准了Wi-Fi的第一个标准IEEE 802.11，尽管蓝牙与Wi-Fi面向不同的用例，但蓝牙的研发却源于大致相似的时代。

无线通信当今已经无处不在。我们可以在家里、汽车和公共场所应用各种无线技术。我们家里或身体上可能会有数十种无线通信设备，其中包括从智能手表和健身追踪器到笔记本电脑、平板电脑和门铃等设备，可谓应有尽有。

多年来，大多数无线协议都在不断演进以适应新的应用。作为消费者，我们能够感受到的最重要变化是带宽和作用距离，而另外的一些变化则主要针对技术性更强的人员，包括mesh网络和基于用例的较低数据速率。

随着不同类型设备的数量增加，某些特定用例也随之增多。反过来，标准机构可以修改无线规范或创建新的规范，以满足新的细分市场或应用需求。

首先让我们回顾一下Wi-Fi的进展。 Wi-Fi已成为大多数家庭和企业必不可少的无线连接服务，它能够提供快速数据通信，足以在大多数家庭中支持多个音频和视频流，而不会遇到我们早期经历的缓冲错误。除了智能手机和其他一些设备外，大多数Wi-Fi设备都是通过市电/线路供电，在下一章节中，我们将分析Wi-Fi如何演进以服务两种截然不同的应用。

Wi-Fi 6和Wi-Fi HaLow

首先，术语Wi-Fi 6可能看起来有些奇怪。 其中的“ 6”是第一次使用版本序号表示特定的Wi-Fi标准。您可能会看到过去提到的标准，例如，在设备包装上的802.11b/g/n。在批准Wi-Fi 6之前，2014年发布的最新Wi-Fi标准定义为802.11ac，现在称为Wi-Fi 5，它在2.4GHz和5GHz频谱上均可工作。2.4GHz仍可提供家庭中最佳的距离特性，但是由于有如此多设备和其他协议共享2.4GHz频率，因此5GHz在实践中可能会提供更好的通信连接。

图1：Wi-Fi版本序号。（来源：Wi-Fi联盟）

Wi-Fi 6（定义为IEEE 802.11ax）能够带来几方面显著优势。首先，技术上可能的最高链接速率从Wi-Fi 5的6,933 Mbit / s增加到9,608 Mbit / s，路由器到单个设备的连接速度提高了约40％。路由器和连接设备都需要多个天线以支持多个数据流，才能实现这些最大数据速率。

与以前的版本相比，Wi-Fi 6使用了不同的调制技术，从而在繁忙的公共场所能够提供更好的Wi-Fi性能。正交频分多址（OFDMA）和多用户多进/多出数据流（MU-MIMO）大大增加了单个接入点可以服务的设备数量。

Wi-Fi 6还为电池供电设备引入了“节电”功能。Wi-Fi 6中的目标唤醒时间（TWT）功能可以使无线收发器进入和退出睡眠模式，以节省电池电量，而不是连续轮询路由器。最近宣布的Wi-Fi 6E标准则首次引入了在6GHz频谱运行。

Wi-Fi 6兼容设备的可用性正在缓慢提高，其中示例包括恩智浦（NXP） WLAN8101H 2.4GHz前端模块系列，它包括一个Tx/Rx天线开关，发射器和接收器放大器以及定向耦合器。

另一个示例是Qorvo QPF4551 5GHz前端模块，以及英特尔最近推出的完整Wi-Fi 6模块：Intel AX.201。

Wi-Fi HaLow

Wi-Fi联盟于2017年推出了Wi-Fi HaLow标准，主要是针对新兴物联网（IoT）满足对可靠且强大无线协议不断增长的需求。Wi-Fi HaLow基于IEEE 802.11 ah标准，与Wi-Fi 6相比走到了截然相反的方向（请参见图2）。

图2：高带宽Wi-Fi版本中的Wi-Fi HaLow。（来源：Wi-Fi联盟）

Wi-Fi HaLow主要是为了应对电池供电嵌入式IoT设备（如远程传感器）带来的相关技术挑战，重点特性包括超低功耗、较低的数据速率和扩展的通信距离。Wi-Fi HaLow还整合了Wi-Fi 6中引入的TWT功能，从而 能够进一步降低功耗并延长电池寿命。

图3：Wi-Fi HaLow的优势。（来源：Wi-Fi联盟）

Wi-Fi HaLow在低于1GHz的未许可工业、医学和科学（ISM）频谱中运行，具有高达1km的扩展作用距离以及对内墙、树木和建筑物等更小的信号衰减。150 kbit / s的标称数据速率能够扩展到数十Mbit / s，主要通过由正交频分多路复用（OFDM）调制提供，具有前向误差校正（FEC）的多入/多出（MIMO）和多个子载波信道实现。

IIoT / IoT发展趋势推动无线技术持续创新

Wi-Fi HaLow并不是明确为工业物联网（IIoT）而设计的唯一无线协议。在开发Wi-Fi HaLow之前，还有其他两个竞争协议Sigfox和LoRa曾经进入市场，它们都在未许可的1GHz以下ISM频谱中运行。LoRa和Sigfox等低功耗广域网（LPWAN）在IIoT / IoT应用中非常急需，这些应用包括智能电表、家庭自动化和安全性、以及园艺等。Sigfox和LoRa与Wi-Fi HaLow的不同之处在于，尽管Wi-Fi HaLow适合用于IoT，但不能提供完整的LPWAN网络基础设施。

Sigfox

Sigfox LPWAN占用ISM频段的192kHz超窄带宽。在欧洲，Sigfox使用的频谱为868 MHz～868.2 MHz，而在世界其他地区，则是902 MHz～928 MHz的区域指配部分。Sigfox数据通信速率极低，为100 bits/s或600bits/s，上行链路有效载荷最高12-bytes。下行链路数据包大小固定为8-bytes。如此低的数据速率需要非常少量无线电频谱，通常只占用100 Hz。一个12-bytes的有效载荷可能看起来太小，但是足以发送环境传感器测量值、GPS地理位置坐标和设备状态等消息。Sigfox网络限制每小时发送不超过6条12-bytes消息或每天140条消息。每天最多只能下载4条消息。

蜂窝设备只与单个基站进行通信，所不同的是，Sigfox设备信号可用于作用距离内的所有基站。Sigfox设备首先在给定频谱内的随机频率上发送消息，然后，在不同频率和不同时隙中重复两次。这种消息接收和传输方法实现了时间和频率分集，这与多个基站提供的空间分集一起，能够创建卓越的服务质量（QoS）等级。

Sigfox能够提供从基站到运营支持（OSS）和业务支持（BSS）系统的完整网络基础设施（请参见图4）。

图4：Sigfox网络高级体系架构。（来源：Sigfox）

如此低的占空比可使Sigfox设备大部分时间都处于空闲睡眠模式，并能够最大限度地延长电池使用寿命。使用低于GHz的频谱，Sigfox可以根据地形和链路预算限制提供数公里的作用范围。

Sigfox收发器模块的一个示例是LPRS的eRIC-SIGFOX。

模块的发射器输出功率能够以1 dBm步长进行编程，最高可达Sigfox允许的最大+14 dBm。深度睡眠模式电流为100nA，待机为0.5 mA，发送时功率为+ 14 dBm，49 mA。

为了进行初始开发和制作原型，安森美半导体EU-Sigfox能够以Arduino Uno屏蔽尺寸提供一个方便易用的评估板。

LoRa

LoRa与Sigfox略有不同。首先，LoRa是远程的缩写，它定义了用于通信的专有协议和调制技术。半导体供应商Semtech开发了LoRa技术，并拥有LoRa IP的许可授权。 LoRa联盟负载管理LoRa LPWAN基础设施。网络基础设施和社区运营商按国家/地区许可，每个国家/地区通常有多个运营商。社区运营商方面的一个例子是非常受欢迎的The Things Network。

LoRa估计，在农村地区视线距离内，设备到网关的作用距离最高为15公里，而在人口稠密的城市地区，设备到网关作用距离最高5公里。 LoRa使用的调制技术是专有的改良版线性调频扩频（CSS）技术。有两个上行链路信道带宽，分别为125kHz或500kHz，以及固定下行链路带宽500 kHz。调制方法采用扩展码技术，能够定义从标称到扩展信号的宽度。信号扩展越宽，数据速率就越大，但是预期作用距离会减小。共有六个扩展代码。需要权衡取舍信道带宽、数据速率、链路功率预算和广播时间。所有这些因素都会影响电池寿命和作用距离。图5突出显示了可用的十四种上行链路和下行链路数据速率。

图5：基于扩频因子、信道带宽和最大有效载荷的LoRa数据速率。（来源：Semtech）

对于不同地区，可用的125 kHz和500 kHz通道数量也不同。同样，特定国家或地区的LPWAN运营商将确定连接设备以及发送/接收消息的数量。 LoRa收发器的一个示例是Semtech LR1110，它包含一个LoRa收发器，一个GNSS接收器，一个数字前端和一个加密引擎。发射器提供两个输出级选项，一个+22dBm和一个高效率+15dBm。

无线通信标准不断发展

在本文中，我们重点介绍了Wi-Fi和两种LPWAN通信技术的最新进展。随着更多应用的不断出现，无线标准权威机构和RF架构师将会设计出更新颖，且高度优化的无线协议，以满足全新应用的特定要求。其中一些创新可能会基于Wi-Fi等现有技术，而另外一些创新则可能会引入全新概念。例如，最早于1950年代发明的超宽带（UWB）通信技术目前正在蓬勃发展，这种技术最初只是用于汽车钥匙扣和测距等任务，它具备的超低延迟、低功耗和链路灵活性等特点使其适合于各种消费和汽车应用。

无线通信标准的演进始终处于电子行业的最前沿。