短距离无线技术重要考量简要指南

如果您认定无线连接是将您的产品与世界连接的最佳方法，那么您无疑做出了一个正确的决定。这种方法所带来的便利性、移动性和灵活性将使您的产品在目标市场上更具吸引力。不过，在表扬自己做出明智决定后，是时候开始着手艰巨的设计工作了。

这项工作首先需要确定最适合产品的无线连接形式。假设您想要将您的设备连接到另一个支持无线连接的产品和/或互联网，使其成为物联网 (IoT) 的一部分。另外，同时假设您已决定选择一种标准技术（而不是众多短距离专有解决方案中的一种）来充分利用与其他制造商产品的互操作性。最后，假设您希望在小于 100 m 的范围内进行无线连接。

上述假设可以大幅降低选择的复杂度。但即使在这些限制条件下，短距离无线技术的选择仍可能让人眼花缭乱。寻找解决方案最终归结为，按部就班地定义无线链路的预期用途。

所有短距离无线技术都需要在距离、吞吐量、功耗和抗扰度等方面做出权衡。通常，更远的距离和/或更大的吞吐量是以增加功耗为代价的。在 2.4 GHz 频段这类拥挤的射频 (RF) 频谱中运行无线电技术时，良好的抗扰度是一项重要指标。而这种特性还能通过避免不断重新发送无法抵达接收器的无线电数据包，来帮助节省功耗。其他需要考虑的重要因素是网状网络和互联网协议 (IP) 的互操作性。

关键的短距离无线技术

Wi-Fi、低功耗蓝牙、Zigbee 和 Thread（与 Zigbee 一样，在符合 IEEE 802.15.4 标准的无线电上运行）代表了主流的短距离无线技术。但这远非短距离无线解决方案的完整清单。其他技术诸如超宽带 (UWB)、近场通讯 (NFC)、无线 M-Bus、Z-Wave 和 Wi-SUN，对于许多小众应用来说都是值得考虑的选择。不过眼下，让我们来看看更多主流选择。

如果吞吐量和 IP 互操作性居于规格列表的首要位置，那么 Wi-Fi 便是首选。目前最流行的解决方案是 Wi-Fi 5（前身为 IEEE 802.11ac），它能提供的最大理论吞吐量为 3.5 Gbps，最大室内传输范围为 100 米。该技术以多通道为基础，可提高吞吐量并克服多径衰落问题（由于接收器收到单个传输信号的多次反射而造成的干扰）。Wi-Fi 堆栈还包括内置的 IPv6，因此无需额外的路由器或网关就能将数据发送到云端。

图 1：Wi-Fi 结合了 IPv6，可与互联网无缝连接。（图片来源：Netgear）

要发挥 Wi-Fi 的吞吐量潜力，需要大幅增加收发器功率，因此如果能耗预算有限，则 Wi-Fi 并非正确的技术选择。而且 Wi-Fi 没有经过优化，无法支持数十种联网设备。话虽如此，Wi-Fi 6（前身为 IEEE 802.11ax，近期被一些新上市的芯片所采用）通过提高该技术的频谱效率，在一定程度上弥补了上述缺点。

如果低功耗是最重要的设计参数，那么低功耗蓝牙 (Bluetooth LE)、Zigbee 和 Thread 都是值得研究的选择。这些技术拥有上述 IEEE 802.15.4 规格的共同 DNA，因而彼此之间有诸多相似之处。IEEE 802.15.4 描述的是低速率无线个人局域网 (LR-WPAN) 的物理层 (PHY) 和媒体访问控制层 (MAC)。尽管 Zigbee 存在一些 Sub-GHz 的变体，但这些技术通常都在 2.4 GHz 频带运行。

低功耗蓝牙是“经典”蓝牙的低功耗版本，作为一种面向消费者的无线技术，其首个小众应用是智能手机与无线耳麦之间的连接。随着 4.0 版的发布，低功耗蓝牙成为蓝牙协议的一部分。其功耗约为蓝牙的十分之一，同时仍能提供最大 2 Mbps 的原始数据吞吐量和 50 米的传输距离。

该技术适用于物联网应用，例如只需少量、低频数据传输的智能家居传感器。它具有 40 个通道，并采用了复杂的通道选择算法 (CSA) 以减少干扰。低功耗蓝牙与大多数智能手机中采用的蓝牙芯片具有互操作性，对于面向消费者的应用（如可穿戴设备）来说也是一大优势（图 2）。该技术的主要缺点在于，需要昂贵且高耗电的网关连接到云以及笨重的网状网络功能，导致其延迟与替代方案相比有所增加。

图 2：低功耗蓝牙可与智能手机互操作，因而成为可穿戴设备的重要选择。（图片来源：Nordic Semiconductor/DO Technologies）

Zigbee 也是工业自动化、商业和家居领域各种低功耗和低吞吐量应用的理想之选。它的吞吐量低于低功耗蓝牙，为 250 Kbps，传输范围和功耗与后者相似。Zigbee 不能与智能手机互操作，也无法提供原生 IP 功能。它可以跨 16 个通道工作，并且与低功耗蓝牙一样，采用了信道跳频算法来避免干扰。Zigbee 的一个关键优势在于，起初就是专为网状网络设计的，因而成为智能照明这类需要低延迟的应用的理想选择。

Thread 于 2014 年首次推出，是短距离无线领域相对较新的成员。与 Zigbee 一样，它使用 IEEE 802.15.4 PHY 和 MAC 运行，能够支持多达 250 个设备构成的大型网状网络。其吞吐量与 Zigbee 相同，同为 250 Kbps，功耗相似，最大传输范围约 30 m。Thread 与 Zigbee 的不同之处在于，它使用的是 6LoWPAN（IPv6 和低功耗 WPAN 的结合），这使得与其他设备和云端的连接变得非常简单，不过需要通过一个称为边界路由器的网络边缘设备进行连接）。

合作而非竞争

事实上，在短距离无线领域，没有一种技术能够占据主导地位，因为每种技术都必须做出无可避免的权衡，以满足其目标应用的需求。基于这一共识，行业团体之间保持着异乎寻常的高度合作，以保证多种短距离无线协议栈之间的互操作性。

这种合作精神的一个典范便是 Matter，这是一项由连接标准联盟（CSA - 前身为 Zigbee 联盟）推动的倡议，该联盟拥有包括苹果、亚马逊和谷歌在内的 180 家成员公司。Matter 侧重于安全性和互操作性。它引入了一个网络层，将 Zigbee、蓝牙和 Wi-Fi 结合在一起，以便设备能实现互操作，而不论何种品牌或设备功能。带有 Matter 认证印章的商业产品定于 2021 年底上市。这将成为短距离无线领域的关键时刻。

如果设计人员希望在设计单一产品变体时在协议的选择方面保持最大灵活性，另一个选择是多协议、短距离无线芯片。许多芯片供应商都提供了这类支持 Wi-Fi、低功耗蓝牙、Zigbee、Thread 或其某种组合的单芯片或模块解决方案。芯片的嵌入式微处理器会根据需要处理协议切换。

结语

采用短距离无线连接设计可以提高产品对最终用户的吸引力。由于可供开发人员选择的技术众多，做出最佳选择并非易事。所有短距离无线技术都需要在距离、吞吐量、功耗和抗扰度等方面做出权衡。做出最佳选择的关键在于，仔细考虑最终产品的用途、最终用户体验的重要性，然后选择具有相应优势的无线技术。