多协议无线平台如何实现下一波无线创新

简介 … … … … … … … … … … … … … 1在过去的几十年中，连接市场改变了我们的生活方式。几乎每一天，我们中的大多数人都会花费数小时使用或至少与各种各样的联网设备互动。到2024年底，ABI Research预测，联网设备的安装基数将达到超过550亿台，涵盖广泛的终端市场，包括移动设备、个人计算机（PC）、可穿戴设备、家庭娱乐、智能家居、汽车、商业建筑、工业以及其他消费者和物联网（IoT）应用领域。这一增长的关键因素是短距离无线连接技术（如Wi-Fi、蓝牙）的迅速扩展。®, 和802.15.4（最显著的是Zigbee和Thread）。与此同时，相对较为新兴的超宽带（UWB）技术，凭借其独特的功能集，预计在未来几年也将显著增长，因为它能够支持多种新的应用场景和创新的用户体验。 CONTENTS WI - FI 的独特优势,蓝牙®802.15. 4 和 UWB 技术… … … … … … … … … … … 如图表1所示，这些技术在未来五年内的机会预计将会显著增加。到2028年，年度蓝牙®-支持设备出货量预计将达到超过73亿台，Wi-Fi预计将达到47亿台，802.15.4预计将达到16亿台，UWB预计将达到近11亿台。这相当于2023年至2028年期间各自的复合年增长率（CAGR）分别为9%、7%、15%和21%。 这种增长的很大一部分将建立在 fi 数量的显著扩张之上这些技术将要应对的设备类型。鉴于物联网的多样性以及持续的技术创新，新的无线应用场景正在不断涌现。这些技术将解决的应用程序和设备类型。给定 正在定期出现 ， 这些将占此外，设备本身正在变得越来越复杂，支持越来越多不同的用例和功能，often与广泛不同的需求相差很大。这导致了极其连接设备市场在未来十年。此外 ， 设备本身 积极地地址 ， 包括 ：• 低延迟操作 • 直连云连接• 简化设备配置• 能够与移动设备、可穿戴设备及现有基础设施进行通信• 极高的可靠性• 强大的射频（RF）性能及不同技术之间的良好共存• 在恶劣射频环境、高密度、拥挤或拥堵环境中部署• 支持在宽温范围内运行• 适用于室内外环境• 具备未来-proof 连接性和较长的设备使用寿命（10年或以上）• 支持低成本和资源受限的设备• 适应小型化设计和减少设备占用空间 WI - FI ， 蓝牙的独特优势®802.15. 4 和 UWB 技术 给如此多样化的需求列表，如今比以往任何时候都更加清晰的是，单一的连接技术将无法有效地应对这种多样性，而每种无线技术各自具有独特的优势和局限性。 Wi - Fi 市场演变与未来机遇 基于IEEE 802.11标准的Wi-Fi通常提供高吞吐量、低延迟和短到中距离的基于互联网协议（IP）的连接，适用于各种应用，包括移动设备、个人计算机、视频摄像头、接入点（AP）、智能电视（TV）、游戏机、扩展现实（XR）头显以及其他以高速互联网访问和视频流媒体为主要优先级的设备。根据特定的IEEE 802.11标准以及它所使用的2.4吉赫（GHz）、5 GHz或6 GHz频段，Wi-Fi的典型吞吐量通常在数百兆比特每秒（Mbps）到多吉比特每秒（Gbps）之间。历史上，Wi-Fi主要针对那些需要最大可能吞吐量且对低延迟性能有较高要求的设备，这些设备通常依赖于电力供电或具有大容量电池，因此功耗相对较高。 然而，得益于通过低成本、低功耗的Wi-Fi 4和Wi-Fi 6芯片持续进行的创新，Wi-Fi技术现在能够应对不断增长的各类客户端设备的需求，涵盖消费者、商业和工业物联网（IIoT），包括资源受限和电池供电的物联网设备。这些设备通常对吞吐量的要求较低，但在外形、成本、计算资源、天线和电池大小方面受到更多限制。与此同时，这些低功耗的创新还使Wi-Fi能够在电池供电的视频应用中创造新的机会，例如在智能门铃和家庭安全摄像头中，同时为更基础的设备提供数年的使用寿命。Wi-Fi技术的其他关键优势包括能够连接到不同环境下的大量Wi-Fi启用的AP，实现始终在线、直接到云的连接，减少设计复杂性并加快上市时间。 Wi-Fi技术继续发展以支持新的功能，如Wi-Fi传感、增强定位、更高吞吐量、多链路操作（MLO）以及通过新标准（如Wi-Fi 7和未来可能的Wi-Fi 8）实现超高的可靠性。 蓝牙®市场演变与未来机遇 蓝牙®arguably拥有本白皮书中讨论的所有技术中最广泛的目标市场和应用范围。通过支持蓝牙的双模解决方案，在智能手机、平板电脑和PC领域建立了广泛的存在感。®基本速率 (BR) / 增强数据速率 (EDR) (蓝牙®经典) 和蓝牙®低功耗 (LE) 技术 ， 蓝牙®已成为无线音频、外设和配件连接的主要推动者。同时，这些平台设备中的巨大市场占有率，加上该技术固有的低功耗和低成本特性，以及来自广泛芯片供应商的供应选择，以及持续的技术演进，意味着该技术几乎已成为各种消费级和物联网应用中设备间连接的默认选择。因此，蓝牙®LE已涉足广泛市场领域，包括可穿戴设备、移动和PC配件、个人追踪器、助听器、汽车钥匙扣、智能家居自动化设备以及智能家电等。此外，它还在低功耗传感器、信标和标签、商业建筑自动化和照明控制、智能健康设备、电子货架标签（ESL）以及工业设备监控等多个物联网应用领域建立了广泛的影响力。 同时 ， 蓝牙®LE技术继续以快速的步伐演进。在过去十年中，该技术增加了对新功能的支持，如蓝牙。®mesh网络，扩展范围能力，通过到达角（AoA）/离开角（AoD）改进定位，以及最近增强的音频能力（包括LE Audio和Auracast™广播音频），和响应式周期性广告（PAwR），以实现更可扩展、无连接的双向通信，适用于如电子标签（ESLs）等应用，并且最近推出了频道 sounding以进一步提升精准定位。这一演变将继续进行，未来还将有更多令人兴奋的功能，例如高数据吞吐量（高达7.5 Mbps，适用于高清音频流）和超低延迟（适用于游戏外设）。 802.15. 4 市场演变与未来机遇 IEEE 802.15.4 是另一种低功耗无线连接技术，旨在支持广泛的家庭、商业和工业物联网（IIoT）应用。Zigbee 是历史上最流行的 802.15.4 技术之一，是一种网状网络技术，已在智能家居、商用建筑、智能能源和工业 4.0 环境等多种应用场景中得到广泛应用。尽管其最大吞吐量仅为 250 千比特每秒（Kbps），但其低成本、低功耗以及高效的网状网络能力使其非常适合包括智能照明、门锁、恒温器、烟雾探测器及其他电池供电的无线传感器设备在内的多种家庭自动化设备。在智能建筑中，Zigbee 技术通常应用于网络化照明控制、无线传感器以及暖通空调（HVAC）控制等领域。与此同时，在智能家居领域，另一种广泛采用的 802.15.4 基础技术是 Thread。Thread 在 2.4GHz 频段运行，是一种基于 IPv6 的替代低功耗网络层协议，支持网状网络并具有增强的安全性和更低的延迟。其对 IP 的支持使得不同设备之间能够实现互操作性。 应用层通过跨行业举措（如Matter）实现，Matter是由连接标准联盟（CSA）发起的一项相对较新的倡议，旨在在共同协议之下抽象并整合多种连接技术，原生支持链路技术如Wi-Fi和Thread。在科技巨头的强大支持下，Matter正享受着快速且广泛的成功，解决了消费者在安装异构智能家居系统时面临的复杂性问题，并释放了该市场的潜力。 UWB 市场演变与未来机遇 超宽带（UWB）是一种短距离脉冲无线电技术，能够在100米以内精确计算其他UWB启用设备的相对位置，精度可达厘米级。在过去十年中，基于IEEE 802.15.4a标准的UWB解决方案已被广泛采用，以在室内实时定位系统（RTLS）应用中实现厘米级跟踪。然而，在过去的五年里，随着新的IEEE 802.15.4z标准的出现，该标准引入了额外的安全扩展，使得UWB不仅能够提供高度安全和精确的距离测量，还能够支持更广泛的创新位置基应用和服务。 超宽带技术（UWB）利用3.1 GHz至10.6 GHz频段之间的500 MHz宽信道带宽和2纳秒（ns）的短脉冲，准确测量两设备（如智能手机、可穿戴设备、钥匙扣、标签、门锁和参考点）之间的飞行时间（ToF）。当这些设备接近时，它们将使用ToF测量值开始测距，以计算通信的往返时间。因此，一台设备可以实时以每秒100次的速度即时计算另一台设备的相对位置，并持续监测其移动。同时，角度到达（AoA）技术确保系统能够精确知道设备的位置和方向，从而使门锁等设备能够确定用户站在门的哪一侧，并完全理解用户的意图。 这些特性为UWB提供了高度安全和精确的距离与位置测量能力，使其能够满足汽车、移动设备、智能家居、智能建筑和其他物联网解决方案提供商对精密测距和定位应用的需求。这些独特的安全测距能力激励了许多智能手机、可穿戴设备、汽车和连接家居的原始设备制造商（OEMs）将该技术集成到汽车无钥匙进入、个人追踪、音频切换等新兴应用场景中。诸如汽车连接联盟（CarConnectivity Consortium，CCC）及其Digital Key 3.0规范、FiRa联盟、以及连接标准联盟（Connectivity Standards Alliance，CSA）的Aliro等组织正在借助蓝牙技术的帮助来标准化各种UWB应用场景。®LE 和近场通信 (NFC) 技术。 许多公司也开始利用UWB作为雷达和传感技术，在多个不同的应用领域发挥作用。UWB雷达提供精细运动检测的能力，正在推动多种创新用途案例的发展，例如汽车儿童和宠物存在检测、手势识别与控制、消费电子产品的近距离和存在检测、婴儿床婴儿监测，以及智能建筑和停车场中的运动感应等，以及其他众多应用。 UWB技术仍处于早期成熟阶段，未来十年内它能够支持或增强的应用场景预计将会大幅增加。支持该技术的关键组织，包括FiRa联盟，继续开发新的UWB技术规范，最近发布的FiRa 2.0规范中，指定了未追踪的室内导航、查找人/物以及点触触发等关键新兴应用场景。 UWB 也具备数据通信能力，在相对低功耗的情况下支持最高达 27 Mbps 的吞吐量，从而能够在时间上实现独特的安全定位和通信应用场景。 多协议连通性解的增长需求 应用多样性和功能要求的差异意味着需要多种技术组合来实现新的创新性用例和功能。 一些设备将需要多吉比特每秒（Gbps）的吞吐量，另一些则需要使用纽扣电池运行数年，还有一些需要嵌入安全测距功能，而有些则会不断增加传感和雷达功能。许多设备需要同时满足这些不同指标。与此同时，即使在同一技术领域内，这种多样性也在不断增长。面向智能手机的Wi-Fi设备与电池供电的传感器相比会有非常不同的需求，而部署在家中的Wi-Fi设备与部署在工业环境中的设备相比也会有非常不同的连接要求。因此，每种连接技术都必须根据应用场景优先考虑不同的指标。这需要越来越灵活的连接产品组合，能够应对多种应用场景。 设备也将越来越多地依赖多种技术的功能，以帮助其实现有效的扩展。例如，Matter启用的Thread设备的成功推出将与蓝牙合作伙伴关系密切相关。®LE 用于无缝启动。同样，数字钥匙、访问控制和FiRa相关应用中的UWB技术利用了蓝牙。®LE 用于初始唤醒和切换过程 ， 以降低整体功耗。 Wi - Fi 和蓝牙®-启用的设备如果希望集成安全精确定位或雷达功能，也将需要集成UWB.蓝牙®耳机若要提供无损音频支持和扩展范围的沉浸式体验，可以从低功耗Wi-Fi集成中受益。对于需要更高吞吐量以支持视频流传输的设备，可能需要将Wi-Fi与蓝牙集成在一起。®用于音频流。同时 ， 其他低功耗 802.15. 4 传感器可能会从集成蓝牙中受益®LE 用于配置、更快的固件更新或位置服务。 随着多样性的增加，不同的环境也将部署多种连接技术。在这种情况下，对能够确保不同终端节点之间有效通信和互操作性的多协议集成电路（ICs）的需求将逐渐增加。例如，在智能家居