推动无线物联网的射频技术入门

石榴姐

推动无线物联网的射频技术入门 [复制链接]

让我们来看看流行的无线电连接堆栈如何通过结合使用硬件和软件技术在物联网世界中发挥独特的作用

要求“Alexa”将咖啡滤纸送到您家看似简单，但实际上涉及通过拥挤的电波执行的复杂射频过程。然后是对即时数据和更多带宽的需求以及更长电池寿命的动机。

为 Amazon Echo 等产品设计连接解决方案需要一些艰巨的工程挑战。本文深入剖析当今主要的无线连接技术（图 1），以使工程师更加熟悉以物联网为中心的 RF 领域中的关键问题。

图 1：多协议无线连接解决方案。

 

Wi-Fi 802.11 b/g/n

 

第一个感兴趣的技术是 Wi-Fi，它是 IEEE 802.11 局域网规范的一部分。与许多无线物联网技术一样，Wi-Fi 在 2.4 GHz 频段运行。然而，它最近扩展了对 5 GHz 频段的支持，以实现更高的数据速率并最大限度地减少来自其他 2.4 GHz 技术的干扰。

Wi-Fi 需要更大、更复杂的 RF 组件和更多嵌入式计算资源来进行网络处理。因此，Wi-Fi 接入点设计的成本往往高于其他一些物联网技术。2017 年，预计主要 Wi-Fi 讨论点将解决设计挑战，例如高功率利用率和对复杂支持软件的需求。

展望未来，我们可以预期 Wi-Fi 将继续与物联网一起发展，这可能意味着更快的速度、更低的功耗以及组合硬件和软件解决方案以在 2.4 GHz 频段与蓝牙和 zigbee 以及 5 GHz 共存带蜂窝。

 

Bluetooth

 

自 2002 年发布第一个规范以来，Bluetooth 已经发展了数次。最初是用于移动耳机的流式语音和音频数据协议，现已发展成为一种节能无线技术。低功耗蓝牙 (BLE) 在功耗敏感的物联网终端节点应用中非常受欢迎。

蓝牙针对短距离个域网 (PAN) 进行了优化，工作在 2.4 GHz 频段。它的一些最先进的特性包括使用跳频扩频调制，每秒跳频高达 1,600 次，从而减小数据包大小，从而减小裸片面积。

然后可以灵活地保持与不同蓝牙变体的兼容性。在 2017 年及以后，我们预计蓝牙技术将继续取得进步。Bluetooth SIG 已经公开了 5.0 规范，它将有效地扩展 RF 范围，将带宽增加到高达 2 Mbps，并改善广告应用程序的数据包通信。

蓝牙的发展可能会启用一些有趣的应用程序，例如多协议时间分区信标和交换连接，以从支持蓝牙的平台调试物联网设备。

 

zigbee

 

zigbee 基于 IEEE 802.15.4 物理无线电规范，与蓝牙和 Wi-Fi 相比具有更低的功耗。由于其网状拓扑结构和经过验证的可扩展性以支持 250 多个节点网络，zigbee 广泛用于家庭自动化和工业网状网络。

低功耗能力和自我修复可扩展性的结合使 zigbee 独一无二。部分原因在于采用了具有短数据包大小的 802.15.4 MAC/PHY、16 通道 DFSS 调制方案和用于消息故障处理的 MAC 层机制。

接下来，发射器功率可以配置为节约能源，特别是在拥挤的网络中，电池供电的路由节点就在附近以帮助中继消息。这种用于处理网状路由功能的优化方法使内存需求相对较低，需要不到 160 KB 的闪存和 32 KB 的 RAM。这使得更低成本的硅成为可能。

图 2：zigbee 联盟称物联网层为 dotdot。

zigbee 联盟还指定了应用配置文件，以简化灯泡和占用传感器等标准产品的开发。IoT 的通用 zigbee 应用层现在称为 dotdot（图 2）。

 

Thread

 

Thread 是物联网世界中出现的最新无线技术，提供基于 IP 的网状网络和高级安全性。成立于 2014 年的 Thread Group 于 2015 年 7 月发布了该规范，此后不断对其进行改进。

Thread 基于现有标准，包括 IEEE 802.15.4，并为网络和传输层添加了特殊的设计规范。与 zigbee 一样，Thread 在 2.4 GHz 频段运行，并形成一个强大的、自我修复的网状网络，最多包含 250 个节点。

图 3：Thread 支持多种流行的应用层协议。

Thread 的独特之处在于结合了硬件和软件设计，以支持低功耗和低成本的网格可扩展性、安全性和互联网寻址。同样，与 zigbee 一样，它将网格邻居处理的一些复杂性卸载到静态内存查找表。

同时，它使传输和路由需求相对较低，以便在闪存和 RAM 少于 185 KB 和 32 KB 的低成本嵌入式设备上运行。这主要是一项软件工作。这就是为什么线程堆栈提供商以开发强大的解决方案为荣，这些解决方案通常在 MCU 和 SoC 上实现。

随着闪存变得更便宜并且 IC 包含更多内存，Thread 堆栈的低到中等内存要求使 RF 组件（包括电感匹配设备）的硅集成度更高，从而使开发人员从 RF 工程的复杂性中解放出来。

 

专有的 sub-GHz

 

对于工业传感等低数据速率应用，以低于 1 GHz 的频率运行的 sub-GHz 网络比功能更强大、功能更丰富的 2.4-GHz 协议更具优势。范围是让 sub-GHz 网络大放异彩的主要因素。

窄带传输可以不间断地运行一公里或更远，将数据传输到远程集线器，而不需要更复杂的网状软件实现从一个节点跳到另一个节点。sub-GHz 频段也没有 ISM 2.4 GHz 拥挤。但是，在某些地区，可用的 sub-GHz 信道很少。

这会阻止开发人员生成单一架构设计解决方案。一个相关的缺点是 sub-GHz 无线电波规定因国家/地区而异，因此占空比限制实际上可能会限制应用程序的传输时间。总的来说，sub-GHz 网络在范围上胜出，但缺乏 2.4-GHz 协议的标准化影响力。

 

整合所有内容

 

乍一看，物联网有点像《权力的游戏》，其生态系统包括 Google Home 与 Amazon Echo 和 Apple HomeKit 的较量。然后是 5 GHz 的 802.11/ac 与蜂窝 LTE 竞争。

虽然哪些生态系统和解决方案将成为物联网主宰者的赢家还有待观察，但市场正在围绕 Wi-Fi、蓝牙、zigbee 和 Thread 协议巩固——每个协议都满足特定的网络需求。

由于硬件和软件工程相结合，我们看到能够支持多种无线协议的无线 MCU 和 SoC 迅速崛起。这些多协议芯片开辟了新的物联网功能；例如，在其他网络上简化设备调试和蓝牙信标。

多协议 SoC 还允许在其生命周期内对部署的设备进行无线更新，并提供一种简单的方法来使用旧的专有协议。因此，多协议、多频段 SoC 现在为寻求在简化终端节点设计的同时添加无线连接的物联网设计人员提供了更大的灵活性和开发选项。