Wi-Fi、藍牙與LPWA的差異:距離、速度、功耗、頻率、用途比較

三者都是以無線連接設備的方式,但在傳輸距離、速度與功耗之間的取捨不同。Wi-Fi是IEEE 802.11標準的無線區域網路,讓電腦與智慧型手機高速連上網際網路。藍牙在數公尺到數十公尺的短距離內,直接連接耳機、鍵盤、穿戴式裝置等,省電的低功耗藍牙(BLE)也用在以鈕扣電池運作的感測器上。LPWA是壓低速度、換取數公里以上距離與以年計電池壽命的IoT通訊方式的總稱。

項目Wi-Fi藍牙LPWA
標準IEEE 802.11(由Wi-Fi Alliance認證)由Bluetooth SIG制定。有傳統的BR/EDR與省電的低功耗藍牙(BLE)方式的總稱。有使用免執照頻段的LoRaWAN等,以及使用行動電話頻段的LTE-M、NB-IoT等
頻段2.4 GHz頻段、5 GHz頻段(Wi-Fi 6E起也有6 GHz頻段)2.4 GHz頻段主要為Sub-GHz頻段(日本為920 MHz頻段)或行動電話的頻段
通訊距離估計室內數十公尺數公尺至數十公尺左右(依功率與方式可達100 m以上)數公里至十幾公里左右(依視線與環境而定)
傳輸速度估計數十Mbps至數Gbps(依標準的世代與條件而定)BLE最高1至2 Mbps(實際可傳送的速度更低)。BR/EDR最高3 Mbps數百bps至數百kbps左右(LTE-M可達約1 Mbps)
功耗大。適合接電源的設備或經常充電的設備BR/EDR中等。BLE只短時間通訊後就休眠,有些設備以鈕扣電池可運作數個月到數年非常小。傳送資料少時,以電池運作數年至10年左右是常見的估計
連接方式以存取點為中心的星狀。由存取點連到LAN與網際網路與智慧型手機等以一對一或一對多直接連接。也有以廣播(advertising)運作的信標與網狀網路由終端到基地台(閘道器)的星狀。主要由終端將少量資料送往雲端
電波的使用方式主要為正交分頻多工(OFDM)(Wi-Fi 6起也有OFDMA)與MIMO。以CSMA/CA協調傳送,以RTS/CTS處理隱藏節點跳頻(BR/EDR為1 MHz寬的79個通道,BLE為2 MHz寬的40個通道)降低速度,使接近雜訊的微弱電波也能接收(LoRa的線性調頻展頻、窄頻調變等)
執照與線路免執照。自行設置存取點免執照。設備之間直接連接LoRaWAN等免執照,也可自行設置閘道器。LTE-M與NB-IoT需與電信業者簽約使用其網路
主要用途電腦與智慧型手機的網際網路連線、影片觀看、家電與攝影機的網路連線無線耳機、鍵盤與滑鼠、智慧手錶、信標、健康照護設備電力、瓦斯、自來水的抄表,農地或設備的感測器,物品的位置追蹤

數值為具代表性的大致參考值,會因世代或產品而異。

適用於什麼情況

Wi-Fi
想高速傳送大量資料,或想直接連上網際網路時。適合接電源的設備或充電使用的設備。
藍牙
連接智慧型手機或電腦旁邊的周邊設備時。想以電池長時間運作的感測器或穿戴式裝置,則使用BLE。
LPWA
想從沒有電源的地方,以電池持續數年把少量資料傳到遠處時。不適合即時控制或傳送影像與影片。

常見問題

Wi-Fi與藍牙同在2.4 GHz頻段,不會互相干擾嗎?

因為使用相同的2.4 GHz頻段,有時會互相干擾。藍牙以跳頻不斷改變使用的頻率,並以避開壅塞通道的適應性跳頻來減少影響。Wi-Fi改用5 GHz頻段,就能避開2.4 GHz頻段的壅塞。微波爐也會發出2.4 GHz頻段的電波,因此在附近時通訊可能受到干擾。

為什麼LPWA能以很少的電力傳到遠處?

因為它大幅降低傳輸速度以提高每位元的能量,並縮窄接收頻寬以減少雜訊,讓微弱的電波也能接收。此外,像日本920 MHz頻段這樣的Sub-GHz頻段,以相同增益的天線比較時,自由空間路徑損耗比2.4 GHz頻段小約8 dB,也較容易繞射到建築物等的後方。功耗小則是因為傳送的資料少,且幾乎所有時間都在休眠。

BLE與傳統藍牙有什麼不同?

BLE讓通訊時間非常短,其餘時間關閉電路休眠,以降低功耗,適合間歇傳送少量資料的感測器與信標。傳統藍牙(BR/EDR)一直用於連續傳送聲音等用途。兩者都使用2.4 GHz頻段,但方式不同,無法直接互相通訊(也有同時支援兩者的設備)。

Wi-Fi的標準名稱與世代名稱如何對應?

IEEE 802.11n稱為Wi-Fi 4,802.11ac稱為Wi-Fi 5,802.11ax稱為Wi-Fi 6,而把802.11ax擴展到6 GHz頻段的是Wi-Fi 6E。802.11ac只使用5 GHz頻段,802.11n與802.11ax則同時使用2.4 GHz與5 GHz頻段。

理解度檢測

設收發天線的增益為0 dBi,頻率2.4 GHz(波長0.125 m)的電波在自由空間中傳播100 m時,自由空間路徑損耗最接近下列何者?

  1. A40 dB
  2. B60 dB
  3. C80 dB
查看答案與解析

正確答案:C. 80 dB

自由空間路徑損耗是在等向性天線之間,功率隨距離呈球面擴散而減弱的比例,以 L = (4πd/λ)² 表示。d = 100 m、λ = 0.125 m 時,4πd/λ ≈ 1.0×10⁴,因此 L = 20·log₁₀(1.0×10⁴) ≈ 80 dB。以dB表示時,距離每變為2倍損耗約增加6 dB,每變為10倍增加20 dB。在這個公式中,相同距離下頻率越高(波長越短),損耗越大。

IEEE 802.11ac(Wi-Fi 5)的無線區域網路所使用的頻段為下列何者?

  1. A只有2.4 GHz頻段
  2. B2.4 GHz頻段與5 GHz頻段兩者
  3. C只有5 GHz頻段
查看答案與解析

正確答案:C. 只有5 GHz頻段

IEEE 802.11的各規格分別規定了使用的頻段。802.11b與802.11g使用2.4 GHz頻段,802.11a與802.11ac使用5 GHz頻段,802.11n(Wi-Fi 4)與802.11ax(Wi-Fi 6)則同時使用2.4 GHz頻段與5 GHz頻段。把802.11ax擴展到6 GHz頻段的稱為Wi-Fi 6E。即使是同時支援2.4 GHz與5 GHz頻段的存取點,以802.11ac通訊的也只有5 GHz頻段那一側。

為了減輕無線區域網路的隱藏節點問題而使用的RTS/CTS機制,下列說明何者適當?

  1. A想要傳送的終端送出傳送要求(RTS),存取點回覆允許傳送(CTS),收到CTS的周圍終端在該通訊期間暫停傳送
  2. B終端一邊傳送一邊監視接收的電波,偵測到碰撞時立即停止傳送
  3. C把所有終端的發射功率調到最大,讓彼此的電波都能到達
查看答案與解析

正確答案:A. 想要傳送的終端送出傳送要求(RTS),存取點回覆允許傳送(CTS),收到CTS的周圍終端在該通訊期間暫停傳送

隱藏節點問題發生在兩台終端的電波都能到達存取點,但終端之間因距離或障礙物而無法收到彼此電波的情況。由於彼此察覺不到對方的傳送,會判斷通道空閒而同時傳送,在存取點發生碰撞。在RTS/CTS中,存取點回覆的CTS記載了通訊所需的時間,收到CTS的終端在這段時間內暫停傳送。RTS與CTS的交換會降低效率,因此也有只在傳送大訊框時才使用的設定。

  1. 關於低功耗藍牙(BLE)的特徵,下列何者適當?
  2. 關於IoT所使用的LPWA(Low Power Wide Area,低功耗廣域)無線通訊的特徵,下列何者適當?
  3. 設溫度290 K時熱雜訊的功率密度為−174 dBm/Hz。頻寬1 MHz、雜訊指數6 dB的接收機,解調所需的S/N為10 dB時,接收靈敏度(可接收的最小訊號功率)最接近下列何者?

前往無線通訊基礎的練習題

相關名詞的解說

Wi-Fi
依據IEEE 802.11規格之無線區域網路的通稱,也是表示設備通過業界團體Wi-Fi Alliance認證的名稱。主要使用2.4 GHz、5 GHz、6 GHz頻段的電波,經由存取點連接到區域網路。以CSMA/CA協調電波的使用,並以OFDM、MIMO,以及從Wi-Fi 6(802.11ax)開始的OFDMA提高速度與效率。通訊以WPA2或WPA3加密。
低功耗藍牙(BLE)
使用2.4 GHz頻段之短距離無線通訊藍牙中,重視降低耗電的方式。把通訊時間縮到極短,其餘時間停止電路休眠,使設備即使用鈕扣電池也能長時間運作。用於週期性送出稱為廣播(advertising)之短訊號的信標,以及穿戴式裝置、感測器等。與傳統藍牙(BR/EDR)彼此無法直接通訊。
低功耗廣域網路(LPWA)
目的在於把感測器數值這類少量資料,從以電池運作數年的設備傳送到數公里以上遠處的無線通訊總稱。壓低傳輸速率,使微弱的電波也能接收,藉此延長通訊距離。有像LoRaWAN這樣使用免執照頻段(在日本為920 MHz頻段等)的,也有像LTE-M與NB-IoT這樣使用行動電話頻段的。
正交分頻多工(OFDM)
把資料分配到彼此正交的許多子載波上,各自以低符元率調變後平行傳送的方式。使子載波間隔等於符元長度的倒數,即使頻譜重疊也能互不干擾地分離。不易受多路徑影響,用於無線區域網路、4G LTE、5G NR、地面數位電視廣播等。
隱藏節點問題
在無線區域網路中,兩台終端的電波都能到達存取點,但終端之間因距離或障礙物而無法收到彼此電波時發生的問題。由於察覺不到彼此的傳送而同時傳送,在存取點發生碰撞。可用RTS/CTS減輕,以存取點回覆的CTS使周圍的終端暫停傳送。
自由空間路徑損耗(FSPL)
在沒有障礙物與反射的自由空間中,等向性天線之間電波功率隨距離呈球面擴散而減弱的比例。以 L = (4πd/λ)² 表示,以dB表示時,距離每變為2倍約增加6 dB,每變為10倍增加20 dB。在鏈路預算的計算中,作為傳播損耗的基準使用。
鏈路預算(Link budget)
把從發射功率到接收功率之間的增益與損耗累加起來,估算到達接收機的功率,以及相對於接收所需功率(接收靈敏度)之餘裕的計算。使用dB與dBm,以發射功率 + 天線增益 − 傳播損耗 − 纜線損耗等加減求得。除了無線之外,光通訊的功率預算也使用相同的概念。

相關的比較