不断变化的无线通信格局要求更高灵活性

引言

物联网市场的爆炸式增长使无线通信芯片的成本和外形尺寸不断降低，这些芯片在越来越多的商业和工业设备中得到广泛应用。遍及多个领域的企业正在利用这些嵌入式设备来实现业务自动化，无线网络技术的最新进展使这些企业和机构能够提高自动化操作的灵活性和效率。

Wi-Fi、Zigbee和Thread等免授权许可技术能够提供低成本网络解决方案，可以快速、轻松地实现设计并且满足许多要求，这些主要是针对室内应用。但是，对于许多仰仗服务质量（QoS）的关键任务应用，相应服务水平只能通过使用授权许可频谱网络来保证。对于这些情况，必须在移动网络运营商（MNO）提供的公用网络，或企业拥有和运营，或由第三方集成商直接提供的专用网络之间进行选择。虽然公共网络具有许多好处，但是在采矿、农业、石油和天然气以及公用事业等行业中，总是存在一些应用场景，其中移动网络运营商的覆盖范围和/或QoS级别明显不足，因此，专用网络是唯一的选择。

公共网络服务是建立在MNO指定和认证的设备基础之上，但是在设计专用网络时，必须要注意选择合适的设备。反过来，设备制造商需要根据目标网络的特定需求优化其设计，并根据诸如工作环境、所需作用范围和法规环境等因素来选择设备。

本文将讨论确定最佳无线解决方案时应考虑的一些因素，并探讨许可和免许可网络设备之间的一些主要区别。

众多连接选项 - 网络拓扑架构（300）

图1介绍了通过既有标准用于短距离和广域无线通信的各种选项。

包括Wi-Fi、蓝牙、Zigbee、Thread和Z-Wave等在内的短距离无线协议均使用2.4GHz和5GHz频段中的免许可频谱，而Wi-Fi 6则被设计为使用新开放的6GHz频段中频谱。基于这些协议的网络有许多现成低成本设备可用，且实际上是即插即用型，在加热和照明控制以及监视等各种室内应用中深受欢迎，广泛用在家庭和办公楼，医院和学校等公共建筑中以及工厂和仓库等工业环境。它们相对较短的作用距离使其应用限制在室内空间或较小的地理区域，例如智慧城市等等。

但是，免许可技术也有一定局限性，限制了可以使用这种类型连接的应用种类。为了降低用户之间的互相干扰，允许的发射功率水平在免许可频谱中一般很低，这导致需要采用网状网络。这些网状网络的“跳数（hops）”会对时延产生不利影响，一般5跳后可能会增大到数十毫秒。即使在低功率水平下，免许可设备干扰的风险也会随着距离的增加而增大，由于免许可频谱使用量的快速增长以及随之而来的拥塞，进一步加剧了这种互相干扰的风险。

已经有越来越多的频谱可用于免许可使用，在数据吞吐量和抗干扰性方面，免许可设备正在不断改善。但是，例如工业4.0中的工厂应用等许多关键室内任务都需要专用网络的QoS和安全级别。这些正在得到监管者认可，他们也在将许可频谱提供给室内应用。

在广域级别，某些应用可能会使用公共网络。除了当前的4G/LTE网络外，5G的推出确保了更高性能水平，可以满足最苛刻的应用需求。同时，低功耗广域网络（LPWAN）正在兴起，主要面向远程感测等应用，这些应用往往依靠电池或采集的能量来工作，并且需要长距离传输少量数据。

但是，尽管如此，许多拥有远程站点和资产的行业仍不太可能处于真正可靠的公共网络覆盖范围之内。4G/LTE即便可用，也无法提供许多实时控制应用所需的较低延迟，而在未来几年内，5G部署可能只集中在人口密集的城市中心。供水或石油和天然气工厂中的阀门和泵等许多远程应用现在需要以更快的时间发送更多数据，这些远非是LPWAN所能支持的，这再次证明专用网络是唯一可行的选择。

图2：许多行业需要用于任务关键型应用的专用网络。(资料来源：qualcomm)

设备选择是专用网络设计的关键

业界支持免许可技术的生态系统非常广泛，可为嵌入式设备提供大量廉价的网络路由器、交换机和收发器芯片。许可设备则必须满足更高的标准，并具标准也不相同。

大多数免许可证设备中都采用低成本单芯片收发器，这些可能适用于低功耗应用，但在大多数情况下，它们将无法达到要求的标准（全球许多地区都需要满足EN 300113），以便用于更远距离的无线传输。

在此应用领域，调制方案的选择也更为重要。最佳方法将取决于免许可技术中通常不会受到消费者注意的因素，包括诸如作用范围、带宽、信噪比性能、抗干扰能力、失真特性、所需的稳定性、所需的发射机功率以及所导致电路复杂性之类的考虑。免许可低功率设备倾向于使用GFSK等固定振幅(Constant Envelope)技术，虽然频谱效率不是特别高，但它们在低功率水平下效果很好，并且易于实现。

在专用网络所有者为频谱付费时，bits/Hz是一个关键指标。还有QAM等其他传输模式，频谱效率更高，并且更适合于远程收发器中所需的更高功率水平。

如上所述，专用网络的设计人员可以根据所在地区和具体应用的特性在一定频率范围内得到许可频谱。为了确保最高灵活性，调制解调器应提供多模功能，从而使该设备可用在室内和室外的不同场景。

未来将是多模

作为电信系统低功耗模拟、数字和混合信号半导体的全球领导者，CML Microcircuits在RF传输各个方面都拥有深厚的专业知识，涵盖广泛的信道带宽、输出功率和调制类型。CML的产品范围包括大量的多模器件，其中一款是最近推出的CMX7364，这是一种灵活的高性能无线数据调制解调器，如图3所示。

CMX7364的核心是功能强大的DSP，可支持低功耗数据调制解调器功能（主要是PHY和MAC层）的实现，该器件支持多种格式数据模式以及原始模式，从而允许用户开发自己的链路协议。一系列灵活的接口使该器件可轻松连接至微控制器，并且其内置滤波器支持6.25～50kHz的信道带宽。

该器件的多模配置是通过CML创新的功Function Image™实现，该功能可对设备进行无线（OTA）编程。CMX7364带有支持GMSK/GFSK、FSK和QAM调制方案的预配置图像，同时也可以根据客户特定要求提供其他定制功能。

CML的这款最新产品在市场上是独一无二的创新，能够为开发人员提供快速且简易的方法来部署牢固的多模通信接口，最终实现强大而可靠的窄带无线IoT应用。

结论

随着越来越多应用依赖具有内置连接功能的设备，无线通信的格局正在迅速发生变化。传统上，短距离无线通信一直以免许可频谱技术为主导，而广域网已成为无线网络运营商应用许可频谱的领域。

企业对自动化和无线连接的依赖程度在不断提高，越来越拥挤的免许可频谱无法保证关键任务应用所要求的QoS，因而这些任务只能由专用网络提供。

在意识到这些后，各国政府已经在以各种频率提供许可频谱。CML Microcircuits等具有前瞻性的公司正在大力支持这一趋势，并提供如CMX7364等具有多模功能的器件。这些解决方案能够帮助制造商能够开发灵活的网络设备，从而可以最大程度地开发市场潜力和规模经济带来的优势。

David Brooke, Wireless Voice and Data Product Manager

David has nearly 40 years of experience working in the electronics industry. As CML’s Wireless/Wireline Voice and Data Product Manager, specialising in baseband solutions, he works across all CML departments managing the products under his care.  When he gets some time to himself, he can often be found cooking at home with a glass of red wine in hand