连接难题:比较5种无线技术

博客

Kevin Walsh
战略执行副总裁 Mark等
Palma Ceia SemiDesign

几乎不可能消耗任何有关技术的媒体,而看不到有关新Wi-Fi产品的故事。 新的用例以每天看似的速度涌现,技术人员不花时间开发产品来为其服务。 在连接性方面,产品设计师在开发其无线产品时可以选择一系列选项,根据使用情况选择合适的选项。

例如,由于工业应用中使用的物联网设备具有广泛的要求,因此工业4.0需要一系列功能,而这些功能仅用一个无线标准就很难实现。 对于物联网,5G标准提供了一种称为NB-IoT的特定无线电,该无线电狭义地定义了低功耗,低复杂度的应用程序。 所有无线标准都在不断发展以提供更多功能。

让我们看一下无线选项菜单上的5种技术选择,查看每种技术最适合的地方,并比较它们的比较。

LTE和5G蜂窝

随着蜂窝从4G迁移到5G,诸如LTE Cat M和LTE Cat NB-IoT之类的功能正在瞄准IoT mark等。 第三代合作伙伴计划(3GPP)蜂窝标准的总括组织将蜂窝移动到IoT中。 吞吐量是蜂窝无线选件的分工。 LTE Cat M(M1)支持兆位吞吐量,而LTE Cat NB-IoT支持千位吞吐量。

蜂窝解决方案的主要缺点是财务上的,而不是技术上的。 这些解决方案已获得许可,因此移动网络运营商需要支付访问基站的费用。 而且,由于访问网络的所有设备都必须经过认证才能在这些网络上运行,因此成本和控制都将产生影响。

优点:

  • 范围和覆盖范围
  • 网络密度

缺点:

  • 费用(手机费用)
  • 网络所有权(控制权)


Wi-Fi 6和6E:下一代Wi-Fi

五种无线技术的利与弊Wi-Fi 6和6E是基于IEEE 802.11ax标准的最新一代Wi-Fi标准。 它们将性能和密度提高了前代Wi-Fi的四倍,后者是Wi-Fi 4(IEEE 5ac标准的名称),因此被称为高效WLAN。 Wi-Fi 802.11E的目标是在美国最近开放的新6G频谱上具有相同的功能。 其他国家也正在探索Wi-Fi 6E的这一频谱,可能会创建全球标准。

Wi-Fi 6包括一些针对物联网的功能:

  • 它描述了仅20MHz的设备,它将具有较低的复杂度,因此具有较低的成本和较低的功率。
  • 它还描述了将20MHz信道细分为多达九个不同的资源单元(RU),每个资源单元能够支持一个设备(最多九个设备)。
  • 使用Wi-Fi 6的新正交频域多址访问(OFDMA)功能,可以处理更多的IoT设备密度。 OFDMA在时间和频率上细分信道,从而可以更有效地使用信道(较小的Rus)。
  • Wi-Fi 6已从Wi-Fi HaLow协议中借用了目标唤醒时间(TWT)功能-一分钟内可获得更多信息。 借助TWT,电池供电的设备可以在不需要通道通信时进入睡眠状态,从而节省了宝贵的电池电量。

Wi-Fi 6为IoT定义了特定功能,但缺少通过Wi-Fi HaLow可用的其他网络管理和控制功能,尤其是对于密集的IoT网络。 资源分配Windows之类的功能以及1MHz和2MHz之类的较窄通道可以更好地满足工业物联网的运营要求。 此外,Wi-Fi HaLow在Wi-Fi 6的千兆赫频带下运行-扩大了范围并显着改善了信号传播。

优点:

  • 性能-比前几代提高4倍
  • 网络效率–更好地利用可用频谱

缺点:

  • 网络管理和控制功能不如Wi-Fi HaLow
  • 范围和无线链路弹性快速下降

PAN标准:BLE,Zigbee等

诸如蓝牙(BLE)和Zigbee之类的个人局域网(PAN)标准已经存在了很多年。 这些标准已用于支持短连接设备,例如无线耳机和耳机一段时间。 近年来,它们也已在物联网设备中使用。

这些标准增加了网格划分以扩展其范围,但是网格划分减少了电池寿命,因为即使不使用的设备也必须转发数据,从而在网格网络中保持活动状态。

在这些PAN协议上,工业4.0的工业环境特别恶劣。 EMI干扰和设备密度以及无线信道缺乏“视线”根本无法满足这些协议的要求,这使得BLE和Zigbee成为工业应用的不佳选择。

优点:

  • 蓝牙无处不在,可提供许多物联网应用所需的吞吐量
  • 蓝牙和Zigbee都很便宜,并且低功耗运行

缺点:

  • 蓝牙和Zigbee均在近距离(<12米)内运行
  • 蓝牙和Zigbee均可在2.4 GHz带宽内运行,它们自身以及Wi-Fi 4(IEEE 802.11n)均可提供清晰的频道

LoRa,Sigfox等人:专有解决方案

LoRa和Sigfox是物联网网络中使用的专有标准。 这两种技术都使用在物联网成为任何人眼中闪耀之前开发的通信技术。 他们使用的通讯技术要比考虑到IoT定义的蜂窝和Wi-Fi标准复杂得多。

这些标准的主要缺点是它们如何处理密集网络中的竞争。 他们的密度处理技术非常差。 这样,随着设备不幸地尝试同时进行通信,其网络性能会迅速下降。 结果是数据丢失或等待时间受到影响。

另一个缺点是,这些都是专有解决方案,每个解决方案都是由商业实体推动的。 它们不是开放标准的事实使这些公司对客户具有杠杆作用。

优点:

  • LoRa和Sigfox都是远程LPWA –低功耗广域–无线协议,提供扩展范围
  • 轻量协议以低功耗运行

缺点:

  • LoRa的收音机是Semtech专有的
  • 两种协议都很简单,在密集型应用程序中的弹性较小–嘈杂的网络限制了性能
  • 两者均仅支持低数据速率-不支持流媒体设备

Wi-Fi HaLow:让我们谈谈Wi-Fi IoT

Wi-Fi HaLow是 Wi-Fi联盟的 IEEE标准802.11ah的名称,该标准于2016年批准并于2017年初发布。IEEE社区定义了专门针对IoT设备的无线电和协议标准。

为什么我们需要物联网的另一种无线通信功能? 由于具有以下两个基本属性,Wi-Fi HaLow规范中定义的无线电和协议元素使其成为IoT设备的理想通信标准:

  • 它是千兆赫兹以下的无线电标准,可扩展性和效率更高,范围更广。
  • 它专门设计为IoT处理协议,可管理和优化设备之间的无线通信。

作为低于千兆赫兹的无线电标准(在1 GHz以下运行),Wi-Fi HaLow具有比传统Wi-Fi更好的传播特性。 简而言之,亚千兆赫无线电能更好地穿过障碍物。 根据障碍物和距离,您会遇到较少的传播损失或信号损失。

Wi-Fi HaLow设备的传输距离比2.4G和5G以及新的6G频率下运行的Wi-Fi设备传输的距离要远。 它很难在工业环境中进行远距离传输,而且仍然保持牢固的连接。 在室内工业区中,无线连接尤其棘手,这些工业区通常挤满了会产生电磁干扰(EMI)的设备。 这会给无线连接(尤其是蓝牙和Zigbee连接)造成严重破坏。

物联网网络经常需要支持数千个设备,这有其固有的问题。 Wi-Fi HaLow具有特定功能,可以更好地管理大型网络。

无论应用程序需要单独运行还是作为Wi-Fi生态系统的一部分,Wi-Fi HaLow都是一个不错的选择。 Wi-Fi HaLow在范围和吞吐量方面的可扩展性使其成为理想的最后一公里和室内工厂解决方案。 随着更多的制造业转移到工厂完全自动化的“熄灯”操作,Wi-Fi HaLow的功能可以与蜂窝电话一起提供远程监控。

优点:

  • 专为物联网设计-可扩展的吞吐量,更长的范围,更低的功耗以及对更大网络的支持
  • 开放的非专有标准–认证支持

缺点:

  • 生态系统发展缓慢–供应商很少
  • 未经大范围试验证明

正如我们所看到的,从连通性工具箱中的一系列选项中进行选择取决于您要构建的内容。 它们都涉及折衷,但是针对物联网应用的Wi-Fi 6和Wi-Fi HaLow标准的优势使这些协议成为可能。 目前。


Kevin Walsh 加盟 Palma Ceia SemiDesign 于2016年成立,在半导体,IP和EDA方面拥有超过25年的经验。 他具有广泛的背景 mark包括战略和战术计划,并购,建立分销渠道和联合 mark伙伴关系。 最近,他在法拉第技术公司担任战略副总裁 Mark等。 他曾是Sapphire Design Automation的执行副总裁兼创始人,以及Sapphire Design Automation的副总裁。 Mark在Simplex Solutions上进行操作。 此前的其他职务包括担任 Marketing和主任 Mark如Gennum,Semtech,inSilicon,Arasan Chip Systems和Synopsys。 他拥有加州大学伯克利分校的电机工程和计算机科学理学学士学位和佩珀代因大学的MBA学位。