前言

無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)是指通過(guò)無(wú)線(xiàn)電磁波進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)。其實(shí)我們每天都生活在各種電磁波的覆蓋下，但是我們卻很少能夠感知到它。

嵌入式是一個(gè)很泛的專(zhuān)業(yè)，如果不是專(zhuān)門(mén)做底層通信開(kāi)發(fā)或是通信專(zhuān)業(yè)人士，基本上也很少嵌入式開(kāi)發(fā)人員會(huì)去關(guān)注無(wú)線(xiàn)通信的原理和機(jī)制。

出現(xiàn)這一現(xiàn)象，我覺(jué)得主要的原因有：

• 技術(shù)復(fù)雜：通信涉及復(fù)雜的協(xié)議，標(biāo)準(zhǔn)，和底層技術(shù)，入門(mén)較難
• 抽象層增加：高級(jí)語(yǔ)言和框架的出現(xiàn)，開(kāi)發(fā)者已不再需要詳細(xì)了解底層通信原理
• 專(zhuān)業(yè)化的需求：通信與硬件，網(wǎng)絡(luò)，底層系統(tǒng)之間交互密切，通信開(kāi)發(fā)需要特定背景和經(jīng)驗(yàn)

(一)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)介紹

(1)生活中的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用

生活中我們接觸到的多數(shù)是消費(fèi)級(jí)無(wú)線(xiàn)產(chǎn)品，比如廣播，電視，手機(jī)，平板電腦，無(wú)線(xiàn)鼠標(biāo)、無(wú)線(xiàn)鍵盤(pán)、無(wú)線(xiàn)耳機(jī)、家用遙控等等。

在工業(yè)或是特殊行業(yè)使用比較多的有：應(yīng)急與救援中的對(duì)講，智慧停車(chē)中的地磁車(chē)位狀態(tài)檢測(cè)，智能抄表，環(huán)境檢測(cè)與監(jiān)控，汽車(chē)胎壓檢測(cè)等等。

(2)按覆蓋范圍分類(lèi)

按照覆蓋范圍，無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)可以分為廣域網(wǎng)，城域網(wǎng)，局域網(wǎng)和個(gè)域網(wǎng)。

它們中間有些是重疊的。比如無(wú)線(xiàn)城域網(wǎng)中的WiMAX,它與LTE和5G有重疊部分，目前它只在韓國(guó)，俄羅斯，巴西等地方使用，隨著LTE和5G的不斷部署，WiMAX可能還會(huì)逐漸地減少。

(3)按頻率分布分類(lèi)

無(wú)線(xiàn)頻率是一種稀缺資源，每個(gè)國(guó)家和地區(qū)允許使用的頻段會(huì)存在一些差異。同樣是4G模塊，每個(gè)地方所使用的通信信道也存在一些差異。

我們的設(shè)備如果要出口到國(guó)外，都需要符合國(guó)外當(dāng)?shù)氐臒o(wú)線(xiàn)規(guī)范。常見(jiàn)的認(rèn)證有：

• 美國(guó)的FCC認(rèn)證
• 歐洲的CE認(rèn)證(RED認(rèn)證)
• 中國(guó)的3C認(rèn)證

無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)，按頻率高低可以劃分為：

下圖是臺(tái)灣地區(qū)的無(wú)線(xiàn)分配圖

(4)頻率與波長(zhǎng)的關(guān)系

無(wú)線(xiàn)通信，實(shí)際是通過(guò)電磁波進(jìn)行信息交互的通信，其中頻率與波長(zhǎng)的關(guān)系為：

速度 = 頻率 × 波長(zhǎng)c = f × λ

c是光速，f是電磁波的頻率，λ是電磁波的波長(zhǎng);

光速不變，頻率與波長(zhǎng)成反比。

在實(shí)際應(yīng)用中，頻率越高，穿透能力就越弱，傳輸距離就越短，但可以提供更大的帶寬。傳輸距離與傳輸帶寬之間存在較大制約。

比較直觀的體驗(yàn)是家里的無(wú)線(xiàn)路由器，有些路由器它可以支持2.4G和5G頻段。當(dāng)只使用5G頻段時(shí)，會(huì)發(fā)現(xiàn)WiFi的信號(hào)比使用2.4G頻段較弱一些。

(二)以太網(wǎng)與無(wú)線(xiàn)網(wǎng)的區(qū)別

這里的以太網(wǎng)是指Ethernet，也就是有線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)。

(1)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)的優(yōu)點(diǎn)

與以太網(wǎng)相比較，無(wú)線(xiàn)網(wǎng)的優(yōu)點(diǎn)有：

• 移動(dòng)性好，不受物理連接的限制
• 安裝靈活便捷
• 可節(jié)省布線(xiàn)成本

(2)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)的難點(diǎn)

與以太網(wǎng)相比較，無(wú)線(xiàn)網(wǎng)需要面對(duì)的難點(diǎn)：

• 信號(hào)強(qiáng)度和覆蓋范圍:需要考慮距離，障礙物，電磁干擾等情況
• 干擾和頻段擁塞：同頻，多經(jīng)干擾，電磁，天氣等干擾
• 數(shù)據(jù)傳輸速率限制：難以同時(shí)兼顧距離和帶寬
• 設(shè)備兼容性：需要適配不同的無(wú)線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)
• 能耗和電池壽命:低功耗物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備對(duì)能耗非常敏感

(3)在開(kāi)發(fā)上的區(qū)別

這里主要描述以太網(wǎng)和無(wú)線(xiàn)Wifi網(wǎng)絡(luò)在開(kāi)發(fā)上的區(qū)別。

以太網(wǎng)和無(wú)線(xiàn)Wifi網(wǎng)絡(luò)，它們都是使用TCP/IP協(xié)議棧，它們主要的區(qū)別在于物理層和數(shù)據(jù)鏈路層。

它們?cè)趨f(xié)議棧的網(wǎng)絡(luò)層，傳輸層，應(yīng)用層是一樣的，如果你是做應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)，那么基本上也感知不到它們有什么區(qū)別。

從應(yīng)用軟件開(kāi)發(fā)的角度看，主要是需要注意網(wǎng)絡(luò)延遲與帶寬限制上的區(qū)別。

(三)在嵌入式系統(tǒng)中的應(yīng)用

無(wú)線(xiàn)電磁波除了可以作為通信使用，還可以在其它領(lǐng)域使用，比如激光，雷達(dá)測(cè)距測(cè)速等領(lǐng)域

在測(cè)距領(lǐng)域的應(yīng)用，可以參考文章《超聲波、毫米波、ToF激光雷達(dá)——在低功耗場(chǎng)景的應(yīng)用選型》

這里我們主要介紹在無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信上的使用。

(1)移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)

這里說(shuō)的移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)，指的是目前我們手機(jī)上使用的4G/5G網(wǎng)絡(luò)，它屬于廣域無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)。

4G是指第四代移動(dòng)通信技術(shù)，LTE(Long-Term Evolution)是4G的一種實(shí)現(xiàn)方式，4G的另外一種實(shí)現(xiàn)方式是WiMAX。

目前使用比較廣泛的還是LTE(4G)網(wǎng)絡(luò)。除了在手機(jī)上使用，在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的使用也在逐漸的增加，比如4G攝像機(jī)，這里選擇使用4G 模塊進(jìn)行通信，主要原因是需要傳視頻數(shù)據(jù)，需要的帶寬比較大，另外是安裝方便，不需要拉網(wǎng)線(xiàn)。

4G攝像機(jī)，根據(jù)所傳輸圖像的碼流大小，也可以選擇不同的4G模塊，常用的有CAT1 和CAT4。它們的帶寬如下：

類(lèi)型	上行帶寬	下行帶寬
CAT1	1.4Mbps左右	10Mbps左右
CAT4	5Mbps左右	150Mbps左右
CAT6	50Mbps左右	300Mbps左右
CAT12	100Mbps左右	600Mbps左右
CAT16	100Mbps左右	1Gbps左右

之所以稱(chēng)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)為蜂窩網(wǎng)絡(luò)，是因?yàn)樗木W(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域被劃分為許多小區(qū)，每個(gè)小區(qū)之間彼此不重疊，類(lèi)似于蜂窩狀。它主要的特點(diǎn)有：

1. 小區(qū)劃分：每個(gè)小區(qū)由一個(gè)基站負(fù)責(zé)服務(wù)
2. 支持移動(dòng)性：用戶(hù)在移動(dòng)中可以保持通信連接，自動(dòng)連接新基站。
3. 頻譜復(fù)用：將頻譜劃分為多個(gè)子載波，在不同小區(qū)間分配，相鄰小區(qū)使用不同頻段，以降低同頻干擾。
4. 多代網(wǎng)絡(luò)兼容：一般同時(shí)支持2G 的GSM，3G的UMTS和CDMA2000，4G的LTE和WiMAX，以及5G 的NR（New Radio）

(2)NB-IoT物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用

NB-IoT(Narrowband Internet of Things)是一種低功耗廣域物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。

它是LTE(4G)標(biāo)準(zhǔn)的一部分，它的主要技術(shù)特點(diǎn)是：

• 低功耗，PSM模式下一節(jié)電池可以做到用5年
• 覆蓋面積廣：能實(shí)現(xiàn)比 GSM 高20db的覆蓋增益
• 窄帶寬：標(biāo)準(zhǔn)帶寬為180KHz
• 支持大規(guī)模連接:理論一個(gè)網(wǎng)絡(luò)小區(qū)可以同時(shí)連接10萬(wàn)個(gè)設(shè)備
• 與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)兼容:LTE標(biāo)準(zhǔn)的一部分，可以利用已有的LTE網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行部署。

基于它低帶寬，高覆蓋面，低功耗的特點(diǎn)，目前它主要的應(yīng)用有：

• 智能水、電表:通過(guò)無(wú)線(xiàn)連接，發(fā)送水表，電表數(shù)值
• 智能停車(chē)場(chǎng)：實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)車(chē)位狀態(tài)，比如地磁停車(chē)監(jiān)測(cè)
• 智能農(nóng)業(yè)：用于土壤溫濕度等數(shù)值監(jiān)測(cè)
• 智能物流: 追蹤貨物位置，溫度，震動(dòng)等狀態(tài)
• 智慧城市：燈光控制，環(huán)境檢測(cè)等

(3)zigbee 技術(shù)

zigbee 是運(yùn)行在2.4GHz頻段的一種通信技術(shù)，它與我們2.4G Wifi屬于同一個(gè)頻段，同時(shí)它也還可以運(yùn)行在868 MHz和915 MHz頻段。它使用的標(biāo)準(zhǔn)是IEEE 802.15.4。它的帶寬只有250kbps。

它與NB-IOT的應(yīng)用有些重疊，區(qū)別在于NB-IOT是屬于廣域無(wú)線(xiàn)網(wǎng)，zigbee是屬于局域無(wú)線(xiàn)網(wǎng)，zigbee的覆蓋范圍一般在1~2000米。

優(yōu)點(diǎn)是：低功耗，低成本，短延時(shí)，高容量，免執(zhí)照頻段，低復(fù)雜度

缺點(diǎn)是：低速率，近距離

目前比較多的是應(yīng)用在智能家居中的智能燈具、智能插座、智能開(kāi)關(guān)、智能門(mén)鎖等等。

因?yàn)閦igbee與藍(lán)牙，Wifi屬于同一個(gè)工作頻段，所以它們之間容易相互干擾。

(4)無(wú)線(xiàn)Wifi網(wǎng)絡(luò)

無(wú)線(xiàn)Wifi屬于局域網(wǎng)上的一個(gè)技術(shù)，它使用的是802.11標(biāo)準(zhǔn)。它是在以前以太網(wǎng)基礎(chǔ)上發(fā)展出來(lái)的一個(gè)技術(shù)。

802.11 是Wifi技術(shù)的一個(gè)系列標(biāo)準(zhǔn)，常用的有802.11b、802.11g、802.11n、802.11ac和802.11ax等，后面為了更好的推廣，將原來(lái)的標(biāo)準(zhǔn)直接改成了wifi名字。

名稱(chēng)	對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)	發(fā)布年份	最大傳輸速率	頻段
Wi-Fi 1	802.11b	1999年	11 Mbps	2.4 GHz
Wi-Fi 2	802.11a	1999年	54 Mbps	2.4 GHz
Wi-Fi 3	802.11g	2003年	54 Mbps	2.4 GHz
Wi-Fi 4	802.11n	2009年	600 Mbps	2.4 GHz和5 GHz
Wi-Fi 5	802.11ac	2014年	1.3 Gbps	5 GHz
Wi-Fi 6	802.11ax	2019年	10 Gbps	2.4 GHz和5 GHz

wifi在家庭，辦公室，公共產(chǎn)所，智能家居等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。

在嵌入式開(kāi)發(fā)中，如果使用wifi無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，需要考慮的是路由器網(wǎng)絡(luò)兼容性，以及在低功耗產(chǎn)品中的功耗控制等問(wèn)題。

具體查看文章《嵌入式低功耗WiFi設(shè)備保活功耗分析》

(5)Bluetooth 藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)

藍(lán)牙屬于個(gè)域網(wǎng)中的一個(gè)應(yīng)用，適用于短距離間通信，一般距離在1~10m。相比比較于zigbee,藍(lán)牙的功耗要高一些。

藍(lán)牙又分為經(jīng)典藍(lán)牙(Classic Bluetooth) 和 低功耗藍(lán)牙(Bluetooth Low Energy，BLE)

名稱(chēng)	帶寬	頻道	帶寬	從設(shè)備數(shù)
經(jīng)典藍(lán)牙	1 Mbps左右	79個(gè)	1 MHz	7 個(gè)
低能耗藍(lán)牙	1 Mbps以下	40個(gè)	2 MHz	幾十個(gè)

相比較于其它無(wú)線(xiàn)技術(shù)，藍(lán)牙有下面幾點(diǎn)區(qū)別：

• 從設(shè)備只能與主設(shè)備通信
• 經(jīng)典藍(lán)牙只能連接7個(gè)從設(shè)備

(6)各技術(shù)綜合對(duì)比

在實(shí)際開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的時(shí)候，我們選擇通信模塊主要考慮的參數(shù)有:傳輸帶寬，傳輸距離，功耗以及成本。

根據(jù)上面介紹的幾種無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)，我們做個(gè)簡(jiǎn)單的對(duì)比。

其中蜂窩網(wǎng)絡(luò)我們以4G為代表

(四)問(wèn)題與分析

這里主要介紹無(wú)線(xiàn)wifi設(shè)備在開(kāi)發(fā)中遇到的問(wèn)題，比如wifi攝像機(jī)以及同技術(shù)類(lèi)型的可視門(mén)鈴，可視貓眼，baby monitor等設(shè)備，它們使用的都是wifi網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

(1)問(wèn)題現(xiàn)象

• 在距離路由器比較遠(yuǎn)或是有障礙物遮擋(如墻體)的情況，wifi信號(hào)會(huì)比較弱，在傳輸視頻數(shù)據(jù)的時(shí)候，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)卡頓或是離線(xiàn)的問(wèn)題。
• 有些設(shè)備在距離路由器比較近的情況下，網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)也不好。

(2)原因分析

可能存在的原因：

• 設(shè)備wifi天線(xiàn)與設(shè)備結(jié)構(gòu)未進(jìn)行匹配。
• 設(shè)備所在的空間，有其它的同頻率無(wú)線(xiàn)信號(hào)干擾。
• 傳輸?shù)囊曨l流碼流較大，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)擁塞。

(3)解決方案

主要的問(wèn)題解決方向有：

• 測(cè)試天線(xiàn)與設(shè)備的匹配情況，比如傳導(dǎo)，增益，阻抗等。
• 使用跳頻技術(shù)，盡量選擇干擾較少的信道進(jìn)行通信。
• 使用壓縮比更高的視頻壓縮技術(shù)，比如H.265,以降低視頻碼流。

結(jié)尾

所有的技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)都在不斷地更新與迭代，無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)也不例外。