前言

無線網(wǎng)絡是指通過無線電磁波進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)木W(wǎng)絡。其實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。

嵌入式是一個很泛的專業(yè)，如果不是專門做底層通信開發(fā)或是通信專業(yè)人士，基本上也很少嵌入式開發(fā)人員會去關注無線通信的原理和機制。

出現(xiàn)這一現(xiàn)象，我覺得主要的原因有：

• 技術復雜：通信涉及復雜的協(xié)議，標準，和底層技術，入門較難
• 抽象層增加：高級語言和框架的出現(xiàn)，開發(fā)者已不再需要詳細了解底層通信原理
• 專業(yè)化的需求：通信與硬件，網(wǎng)絡，底層系統(tǒng)之間交互密切，通信開發(fā)需要特定背景和經(jīng)驗

(一)無線網(wǎng)絡介紹

(1)生活中的無線網(wǎng)絡應用

生活中我們接觸到的多數(shù)是消費級無線產品，比如廣播，電視，手機，平板電腦，無線鼠標、無線鍵盤、無線耳機、家用遙控等等。

在工業(yè)或是特殊行業(yè)使用比較多的有：應急與救援中的對講，智慧停車中的地磁車位狀態(tài)檢測，智能抄表，環(huán)境檢測與監(jiān)控，汽車胎壓檢測等等。

(2)按覆蓋范圍分類

按照覆蓋范圍，無線網(wǎng)絡可以分為廣域網(wǎng)，城域網(wǎng)，局域網(wǎng)和個域網(wǎng)。

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

(3)按頻率分布分類

無線頻率是一種稀缺資源，每個國家和地區(qū)允許使用的頻段會存在一些差異。同樣是4G模塊，每個地方所使用的通信信道也存在一些差異。

我們的設備如果要出口到國外，都需要符合國外當?shù)氐臒o線規(guī)范。常見的認證有：

• 美國的FCC認證
• 歐洲的CE認證(RED認證)
• 中國的3C認證

無線網(wǎng)絡信號，按頻率高低可以劃分為：

下圖是臺灣地區(qū)的無線分配圖

(4)頻率與波長的關系

無線通信，實際是通過電磁波進行信息交互的通信，其中頻率與波長的關系為：

速度 = 頻率 × 波長c = f × λ

c是光速，f是電磁波的頻率，λ是電磁波的波長;

光速不變，頻率與波長成反比。

在實際應用中，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。

比較直觀的體驗是家里的無線路由器，有些路由器它可以支持2.4G和5G頻段。當只使用5G頻段時，會發(fā)現(xiàn)WiFi的信號比使用2.4G頻段較弱一些。

(二)以太網(wǎng)與無線網(wǎng)的區(qū)別

這里的以太網(wǎng)是指Ethernet，也就是有線網(wǎng)絡。

(1)無線網(wǎng)的優(yōu)點

與以太網(wǎng)相比較，無線網(wǎng)的優(yōu)點有：

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

(2)無線網(wǎng)的難點

與以太網(wǎng)相比較，無線網(wǎng)需要面對的難點：

• 信號強度和覆蓋范圍: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：難以同時兼顧距離和帶寬
• 設備兼容性：需要適配不同的無線標準
• 能耗和電池壽命:低功耗物聯(lián)網(wǎng)設備對能耗非常敏感

(3)在開發(fā)上的區(qū)別

這里主要描述以太網(wǎng)和無線Wifi網(wǎng)絡在開發(fā)上的區(qū)別。

以太網(wǎng)和無線Wifi網(wǎng)絡，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。

它們在協(xié)議棧的網(wǎng)絡層，傳輸層，應用層是一樣的，如果你是做應用軟件開發(fā)，那么基本上也感知不到它們有什么區(qū)別。

從應用軟件開發(fā)的角度看，主要是需要注意網(wǎng)絡延遲與帶寬限制上的區(qū)別。

(三)在嵌入式系統(tǒng)中的應用

無線電磁波除了可以作為通信使用，還可以在其它領域使用，比如激光，雷達測距測速等領域

在測距領域的應用，可以參考文章《超聲波、毫米波、ToF激光雷達——在低功耗場景的應用選型》

這里我們主要介紹在無線網(wǎng)絡通信上的使用。

(1)移動蜂窩網(wǎng)絡

這里說的移動蜂窩網(wǎng)絡，指的是目前我們手機上使用的4G/5G網(wǎng)絡，它屬于廣域無線網(wǎng)絡。

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

目前使用比較廣泛的還是LTE(4G)網(wǎng)絡。除了在手機上使用，在物聯(lián)網(wǎng)領域的使用也在逐漸的增加，比如4G攝像機，這里選擇使用4G 模塊進行通信，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。

4G攝像機，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

之所以稱移動網(wǎng)絡為蜂窩網(wǎng)絡，是因為它的網(wǎng)絡覆蓋區(qū)域被劃分為許多小區(qū)，每個小區(qū)之間彼此不重疊，類似于蜂窩狀。它主要的特點有：

1. 小區(qū)劃分：每個小區(qū)由一個基站負責服務
2. 支持移動性：用戶在移動中可以保持通信連接，自動連接新基站。
3. 頻譜復用：將頻譜劃分為多個子載波，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)絡兼容：一般同時支持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)應用

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

它是LTE(4G)標準的一部分，它的主要技術特點是：

• 低功耗，PSM模式下一節(jié)電池可以做到用5年
• 覆蓋面積廣：能實現(xiàn)比 GSM 高20db的覆蓋增益
• 窄帶寬：標準帶寬為180KHz
• 支持大規(guī)模連接:理論一個網(wǎng)絡小區(qū)可以同時連接10萬個設備
• 與現(xiàn)有網(wǎng)絡兼容:LTE標準的一部分，可以利用已有的LTE網(wǎng)絡基礎設施進行部署。

基于它低帶寬，高覆蓋面，低功耗的特點，目前它主要的應用有：

• 智能水、電表:通過無線連接，發(fā)送水表，電表數(shù)值
• 智能停車場：實時監(jiān)測車位狀態(tài)，比如地磁停車監(jiān)測
• 智能農業(yè)：用于土壤溫濕度等數(shù)值監(jiān)測
• 智能物流: 追蹤貨物位置，溫度，震動等狀態(tài)
• 智慧城市：燈光控制，環(huán)境檢測等

(3)zigbee 技術

zigbee 是運行在2.4GHz頻段的一種通信技術，它與我們2.4G Wifi屬于同一個頻段，同時它也還可以運行在868 MHz和915 MHz頻段。它使用的標準是IEEE 802.15.4。它的帶寬只有250kbps。

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

優(yōu)點是：低功耗，低成本，短延時，高容量，免執(zhí)照頻段，低復雜度

缺點是：低速率，近距離

目前比較多的是應用在智能家居中的智能燈具、智能插座、智能開關、智能門鎖等等。

因為zigbee與藍牙，Wifi屬于同一個工作頻段，所以它們之間容易相互干擾。

(4)無線Wifi網(wǎng)絡

無線Wifi屬于局域網(wǎng)上的一個技術，它使用的是802.11標準。它是在以前以太網(wǎng)基礎上發(fā)展出來的一個技術。

802.11 是Wifi技術的一個系列標準，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，將原來的標準直接改成了wifi名字。

名稱	對應標準	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，公共產所，智能家居等領域都有廣泛的應用。

在嵌入式開發(fā)中，如果使用wifi無線網(wǎng)絡，需要考慮的是路由器網(wǎng)絡兼容性，以及在低功耗產品中的功耗控制等問題。

具體查看文章《嵌入式低功耗WiFi設備?；罟姆治觥?span style="font-size:20px;font-weight:bold;">

(5)Bluetooth 藍牙網(wǎng)絡

藍牙屬于個域網(wǎng)中的一個應用，適用于短距離間通信，一般距離在1~10m。相比比較于zigbee,藍牙的功耗要高一些。

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

名稱	帶寬	頻道	帶寬	從設備數(shù)
經(jīng)典藍牙	1 Mbps左右	79個	1 MHz	7 個
低能耗藍牙	1 Mbps以下	40個	2 MHz	幾十個

相比較于其它無線技術，藍牙有下面幾點區(qū)別：

• 從設備只能與主設備通信
• 經(jīng)典藍牙只能連接7個從設備

(6)各技術綜合對比

在實際開發(fā)設計的時候，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)上面介紹的幾種無線通信技術和標準，我們做個簡單的對比。

其中蜂窩網(wǎng)絡我們以4G為代表

(四)問題與分析

這里主要介紹無線wifi設備在開發(fā)中遇到的問題，比如wifi攝像機以及同技術類型的可視門鈴，可視貓眼，baby monitor等設備，它們使用的都是wifi網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)通信。

(1)問題現(xiàn)象

• 在距離路由器比較遠或是有障礙物遮擋(如墻體)的情況，wifi信號會比較弱，在傳輸視頻數(shù)據(jù)的時候，經(jīng)常會出現(xiàn)卡頓或是離線的問題。
• 有些設備在距離路由器比較近的情況下，網(wǎng)絡狀態(tài)也不好。

(2)原因分析

可能存在的原因：

• 設備wifi天線與設備結構未進行匹配。
• 設備所在的空間，有其它的同頻率無線信號干擾。
• 傳輸?shù)囊曨l流碼流較大，導致網(wǎng)絡擁塞。

(3)解決方案

主要的問題解決方向有：

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

結尾

所有的技術和標準都在不斷地更新與迭代，無線通信技術也不例外。