盘点各种主流无线通信技术
首页 > PCB > 盘点各种主流无线通信技术     2018-08-14 无线通信技术  

摘要:无线通信技术本身有良多优点,本钱较低,无线通信技术没必要树立物理路线,更不用大量的人力去铺设电缆,而且无线通信技术不受工业环境的限制,抗衡环境的变化能力较强,故障诊断也较为容易,相对于于传统的有线通信的设置与维修,无线网络的维修可以通过远程诊断完成,更为便捷;扩展性强,当网络需要扩展时,无线通信不需要扩展布线;灵便性强,无线网络不受环境界形等限制,而且在使用环境产生变化时,无线网络只需要做很少的调整,就能适应新环境的要求。

图1:无线通信(数据)传输方式及技术原理

无线通信(数据)传输方式及技术原理:

  无线通信是应用电磁波信号在自由空间中传播的特性进行信息交换的一种通信方式。无线通信技术本身有良多优点,本钱较低,无线通信技术没必要树立物理路线,更不用大量的人力去铺设电缆,而且无线通信技术不受工业环境的限制,抗衡环境的变化能力较强,故障诊断也较为容易,相对于于传统的有线通信的设置与维修,无线网络的维修可以通过远程诊断完成,更为便捷;扩展性强,当网络需要扩展时,无线通信不需要扩展布线;灵便性强,无线网络不受环境界形等限制,而且在使用环境产生变化时,无线网络只需要做很少的调整,就能适应新环境的要求。

各种主流无线通信技术
  常见的无线通信(数据)传输方式及技术分为两种:“近距离无线通信技术”以及“远距离无线传输技术”。

  1、近距离无线通信技术

  短(近)距离无线通信技术是指通信双方通过无线电波传输数据,并且传输距离在较近的规模内,其应用规模无比广泛。近些年来,应用较为广泛及拥有较好发展前景的短距离无线通信标准有:Zig-Bee、蓝牙(Bluetooth)、无线宽带(Wi-Fi)、超宽带(UWB)以及近场通信(NFC)。

近距离无线通信技术


  (1)Zig-Bee:Zig-Bee是基于IEEE802.15.4标准而树立的一种短距离、低功耗的无线通信技术。Zig-Bee来源于蜜蜂群的通信方式,因为蜜蜂(Bee)是靠飞翔以及‘嗡嗡’(Zig)地抖动翅膀的来与同伴确定食物源的方向、位置以及距离等信息,从而形成了蜂群的通信网络。其特点是距离近,其通常传输距离是10-100m;低功耗,在低耗电待机模式下,2节5号干电池可支撑1个终端工作6-24个月,甚至更长;其本钱,Zig-Bee免协议费,芯片价格廉价;低速率,通Zig-Bee常工作在20-250kbps的较低速率;短时延,Zig-Bee的响应速度较快等。主要合用于家庭以及楼宇节制、工业现场自动化节制、农业信息搜集与节制、公共场所信息检测与节制、智能型标签等领域,可以嵌入各种装备。

近距离无线通信技术


  (2)蓝牙(Bluetooth):能够在10米的半径规模内实现点对于点或者一点对于多点的无线数据以及声音传输,其数据传输带宽可达1Mbps通信介质为频率在2.402GHz到2.480GHz之间的电磁波。蓝牙技术可以广泛应用于局域网络中各类数据及语音装备,如PC、拨号网络、笔记本电脑、打印机、传真机、数码相机、移动电话以及高品质耳机等,实现各类装备之间随时随地进行通信。

  蓝牙技术被广泛应用于无线办公环境、汽车工业、信息家电、医疗装备以及学校教育以及工厂自动节制等领域,蓝牙目前存在的主要问题是芯片大小以及价格较高;抗干扰能力较弱。

图4:蓝牙技术


  (3)无线宽带(Wi-Fi):它是一种基于802.11协议的无线局域网接入技术。(Wi-Fi)技术突出的优势在于它有较广的局域网笼盖规模,其笼盖半径可达100米左右,相比于蓝牙技术,(Wi-Fi)笼盖规模较广;传输速度无比快,其传输速度可以达到11mbps(802.11b)或者者54mbps(802.11.a),合适高速数据传输的业务;不必布线,可以不受布线前提的限制,无比合适移动办公用户的需要。在一些人员密集的处所,比如火车站、汽车站、商场、机场、藏书楼、校园等处所设置‘热门’,可以通过高速路线将因特网接入上述场所。用户只需要将支撑无线网络的终端装备该区域内,便可高速接入因特网;健康安全,拥有WiFi功能的产品发射功率不超过100毫瓦,实际发射功率约60-70毫瓦,与手机、手持式对于讲机等通信装备相比,WiFi产品的辐射更小。

无线宽带


  (4)超宽带(UWB):UWB是一种无载波通信技术,应用纳秒至微微秒级的非正弦波窄脉冲传输数据,其传输距离通常在10M之内,使用1GHz以上带宽,通信速度可以达到几百兆bit/s以上,UWB的工作频段规模从3.1GHz到10.6GHz,最小工作频宽为500MHz。

  其主要特点是:传输速率高;发射功率低,功耗小;保密性强;UWB通信采取调时序列,能够抗多径衰败;UWB所需要的射频以及微波器件很少,可以减小系统的繁杂性。因为系UWB统占用的带宽很高,UWB系统可能会干扰现有其他无线通信系统。UWB主要应用在高分辨率"较小规模"能够穿透墙壁"地面等障碍物的雷达以及图像系统中。

  这种装置可以用来检查楼房、桥梁、道路等工程的混凝土以及沥青结构中的缺陷,以及定位地下电缆及其它管线的故障位置,也可用于疾病诊断。另外,在营救、治安防范、消防及医疗、医学图像处理等领域都大有用处。

超宽带


  (5)NFC:NFC是一种新的近距离无线通信技术,其工作频率为13.56MHz,由13.56MHz的射频辨认(RFID)技术发展而来,它与目前广为流行的非接触智能卡ISO14443所采取的频率相同,这就为所有的消费类电子产品提供了一种方便的通信方式。NFC采取幅移键控(ASK)调制方式,其数据传输速率一般为106kbit/s以及424kbit/s三种。NFC的主要优势是:距离近、带宽高、能耗低,与非接触智能卡技术兼容,其在门禁、公交、手机支付等领域有着广阔的应用价值。

NFC


  NFC的应用情境基本可以分为下列五类:

  A接触-通过,主要应用在会议入场、交通关卡、门禁节制以及赛事门票等方面;

  B接触-确认/支付,主要应用在手机钱包、移动以及公交付费等方面;

  C接触-链接,这种应用可以实现2个拥有NFC功能的装备实现数据的点对于点传输;

  D接触-阅读,用户可以通过NFC手机了解以及使用系统所能提供的功能以及服务;

  E下载-接触,通过拥有NFC功能的终端装备,使用GPRS/CDMA网络接管或者下载相干信息,用于门禁或者支付等功能。

NFC的应用情境


  2、远距离无线传输技术

  远距离无线传输技术:目前偏远地区广泛应用的无线通信技术主要有GPRS/CDMA、数传电台、扩频微波、无线网桥及卫星通信、短波通信技术等。它主要使用在较为偏远或者不宜铺设路线的地区,如:煤矿、海上、有污染或者环境较为恶劣地区等。

NFC的应用情境


  (1)GPRS/CDMA无线通信技术:GPRS(通用无线分组业务)是由中国移动开发运营的一种基于GSM通信系统的无线分组交换技术,是介于第二代以及第三代之间的技术,通常称为2.5G它是应用包交换概念发展的一种无线传输方式。包交换就将数据封装成许多独立的包,再将这些包一个一个传送出去,形式上有点类似寄包裹,其优势在于有资料需要传送时才会占用频宽,而且是以资料量计价,有效的提高网络的应用率。GPRS网络同时支撑电路型数据以及分组交换数据,从而GPRS网络能够方便的以及因特网互相链接,相比原来的GSM网络的电路交换数据传送方式,GRRS的分组交换技术拥有实时在线"按量计费"高速传输等优点。

  CDMA(是码分多址的英文缩写)由中国电信运行的一种基于码分技术以及多址技术的新的无线通信系统,其原理基于扩频技术。

CDMA


  (2)数传电台通信:数传电台是数字式无线数据传输电台的简称。它是采取数字信号处理、数字调制解调、拥有前向纠错、均衡软裁决等功能的一种无线数据传输电台。数传电台的工作频率大多使用220--240MHz或者400--470MHz频段,拥有数话兼容、数据传输实时性好、专用数据传输通道、一次投资、没有运行使用费、合用于恶劣环境、稳定性好等优点。数传电台的有效笼盖半径约有几十公里,可以笼盖一个城市或者必定的区域。数传电台通常提供标准的RS-232数据接口,可直接与计算机、数据收集器、RTU、PLC、数据终端、GPS接管机、数码相机等链接。已经经在各行业获得广泛的应用,在航空航天、铁路、电力、石油、气象、地震等各个行业均有应用,在遥控、遥测、摇信、遥感等SCADA领域也获得了长足的进步以及发展。

数传电台通信


  (3)扩频微波通信:扩频通信,即扩展频谱通信技术是指其传输信息所用信号的带宽弘远于信息本身带宽的一种通信技术。最早始用于军事通信。它传输的基本原理是将所传输的信息用伪随机码序列(扩频码)进行调制,伪随机码的速率弘远于传送信息的速率,这时发送信号所盘踞带宽弘远于信息本身所需的带宽实现了频谱扩展,同时发射到空间的无线电功率谱密度也有大幅度的降低。在接管端则采取相同的扩频码进行相干解调并恢覆信息数据!其主要特点是:抗噪声能力极强;抗干扰能力极强;抗衰败能力强;抗多径干扰能力强;易于多媒体通信组网;拥有良好的安全通信能力;不干扰同类的其他系统等,同时拥有传输距离远、笼盖面广等特点,尤其合适野外联网应用。

  (4)无线网桥:无线网桥是无线射频技术以及传统的有线网桥技术相结合的产物。无线网桥是为使用无线(微波)进行远距离数据传输的点对于点网间互联而设计。它是一种在链路层实现LAN互联的存储转发装备,可用于固定数字装备与其他固定数字装备之间的远距离(可达50Km)、高速(可达百兆bps)无线组网。扩频微波以及无线网桥技术均可以用来传输对于带宽要求至关高的视频监控等大数据量信号传输业务。

无线网桥


  (5)卫星通信:卫星通信是指应用人造地球卫星作为中继站来转发无线电信号,从而实现在多个地面站之间进行通信的一种技术,它是地面微波通信的继承以及发展。卫星通信系统通常由二部份组成,分别是卫星端、地面端。卫星端在空中,主要用于将地面站发送的信号放大再转发给其它地面站。地面站主要用于对于卫星的节制、跟踪以及实现地面通信系统接入卫星通信系统。

  卫星可分为同步卫星以及非同步卫星,同步卫星在空中的运行方向以及周期与地球的自转方向及周期相同,从地面的任何位置看,该卫星都是静止不动的;非同步卫星的运行周期大于或者小于地球的运行周期,其轨道高度"倾角"形状均可依据需要调整。

  卫星通信的的特点是:笼盖规模广,工作频带宽,通信质量好,不受地舆前提限制,本钱与通信距离无关等。其主要用在国际通信,国内通信,军事通信,移动通信以及广播电视等领域,卫星通信的主要缺陷是通信拥有必定的延迟,比如打卫星电话时,不能立即听到对于方回话,主要缘故是卫星通信的传输距离较长,无线电波在空中传输是有必定延迟的。

卫星通信的的特点


  (6)短波通信:按照国际无线电咨询委员会的划分,短波是指波长100m——10m,频率为3MHZ-30MHZ的电磁波。短波通信是指应用短波进行的无线电通信,又称高频(HF)通信。短波通信可分为地波传播以及天波传播。地波传播的衰耗随工作频率的升高而递增,在一样的地面前提下,频率越高,衰耗越大。应用地波只合用于近距离通信,其工作频率一般选在5MHZ下列。地波传播受天气影响小,比较稳定,信道参数基本不随时间变化,故信道可视为恒参信道。天波传播是无线电波经电离层反射来进行远距离通信的方式,歪斜投射的电磁波经电离层反射后,可以传到几千公里外的地面。天波的传播损耗比地波小得多,经地面与电离层之间多次反射以后,可以达到极远的处所,因而,应用天波可以进行环球通信。天波传播因受电离层变化以及多径传播的严重影响极不稳定,其信道参数随时间而急剧变化,因而称为变参信道。短波通信的特点是:建设保护费用低,周期短,装备简单,电路调度容易,抗毁能力强,频段窄,通信容量小,天波信道信号传输稳定性差等。

卫星通信的的特点


  各种主流无线通信技术之间的比较

  当前流行的无线通信技术有:RFID、GPRS、Bluetooth、Wi-Fi(IEEE 802.11协议)、IrDA、UWB、Zig-Bee以及NFC、华为Hilink协议、Mesh、Thread、Z-Wave、LiFi。

  1、RFID

  RFID是一种简单的无线系统,只有两个基本器件,该系统用于节制、检测以及跟踪物体。系统由一个讯问器以及良多应对器组成。

  应对器:由天线,耦合元件及芯片组成,一般来说都是用标签作为应对器,每一个标签拥有独一的电子编码,附着在物体上标识目标对于象。

  读写器:由天线,耦合元件,芯片组成,读取(有时还可以写入)标签信息的装备,可设计为手持式rfid

  应用软件系统:是应用层软件,主要是把搜集的数据进一步处理,并为人们所使用。

RFID

 

      2、GPRS

  以下图为典型GPRS系统结构图,通过监控中心与Internet相连,可以支撑一些比较繁杂的应用,另外支撑的通信方式比较多,使用户可以随时随地以多种通信方式来监控实际应用点。该方案还可让监控中心同时以及多个GPRS模块通信,从而监控多个工作现场。

GPRS系统结构图


  3、Bluetooth/IEEE 802.15.1协议

  蓝牙技术最早始于1994,由瑞典爱立信研发。它采取调频技术(Frequency-hopping Spread Spectrum),通信频段为2.402G Hz-2.480GHz。截止目前为止已经经更新了9个版本,分别为蓝牙1.0/1.1/1.2/2.0/2.1/3.0/4.0/4.1/4.2,通信半径从几米到几百米延伸。

  在微信以及百度云还不太普及的时候,咱们总是习惯打开手机里的蓝牙装备,把手机上好玩好看的东西分享给周围的朋友。蓝牙技术被广泛的使用在手机,PDA等移动装备上,PC、GPS装备以及大量的无线外围装备(蓝牙耳机、蓝牙键盘等)。

  蓝牙技术也紧跟物联网的发展脚步。最新的蓝牙4.2数据传输速率可达1Mbps、隐私功能更强大,Ipv6网络支撑。在智能家居领域,采取了Bultooth Smart技术的蓝牙装备之间可以不通网络就能实现装备与装备之间的“对于话”。由此可以解决骤然断网没有了WiFi的情况下,智能家居装备们仍将可以继续工作。

  优点:速率快、低功耗,安全性高。

  缺陷:网络节点少,不合适多点布控。蓝牙系统由无线单元、链路节制器、链路管理器以及提供到主机端接口功能的,支撑单元组成。

  蓝牙无线单元是一个微波跳频扩频通信系统,数据以及话音信息分组在指定时隙,指定跳频频率发送以及接管。跳频序列由主装备装备地址抉择,采取寻呼以及查询方式树立信道链接。链路节制(基带节制)器包含基带数字信号处理的硬件部份并完成基带协议以及其它底层链路规程。链路管理器(LM)软件实现链路的树立、验证、链路配置及其协议。链路管理器可以发现其它的链路管理器,并通过链接管理协议LMP树立通信联系。链路管理器通过链路节制器提供的服务实现上述功能。

Bluetooth/IEEE 802.15.1协议


  4、Wi-Fi

  全称Wireless-Fidelity,无线保真,是无线局域网(WLAN)中的一个标准。从1999年推出以来一直是是咱们糊口中较常用的访问互联网的方式之一。通常WiFi技术使用2.4GHz以及5GHz周围频段,通过有线网络外接一个无路线由器,就能把有线信号转换成WiFi信号。WiFi标准家族还有802.11a、802.11b、802.11g、802.11n。

  2016年WiFi联盟最新公布的802.11ah WiFi标准—WiFi HaLow,使得WiFi可以被应用到更多处所如:小尺寸、电池供电的可穿着装备同时也合用于工业设施内的部署,以及介于两者之间的应用。 HaLow采取900MHz频段,低于当前WiFi的2.4GHz以及5GHz频段。更低功耗,同时HaLow的笼盖规模可以达到1公里,信号更强,且不容易被干扰。这些特点使得WiFi更为顺应了物联网时代的发展。

  优点:笼盖规模广,数据传输速率快。

  缺陷:传输安全性不好,稳定性差,功耗略高,组网能力差。Wi-Fi方案的设计相对于其他方案比较简单,仅需要通过MCU节制WIFI模块,通过CAN总线与主板通信,然后通过WIFI模块传输讯息到Internet。通过链接服务器,然后服务器对于数据进行处理。

Bluetooth/IEEE 802.15.1协议


  5、IrDA

  红外通信主要有3部份组成:

  (1)发射器部份:目前已经有红外无线数字通信系统的信息源包含语音、数据、图像等。

  (2)信道部份:它们的作用是:整形、滤波、视场变换、频段划分等。

  (3)终端部份:红外无线数字通信系统终端部份包含光接管部份、采样、滤波、裁决、量化、均衡以及解码等部份。

IrDA

 


  6、UWB

  UWB(UltraWideband)是一种无载波通信技术,应用纳秒至微微秒级的非正弦波窄脉冲传输数据。通过在较宽的频谱上传送极低功率的信号,UWB能在10米左右的规模内实现数百Mbit/s至数Gbit/s的数据传输速率。

UWB

 


  7、Zig-Bee/802.15.4协议

  技术是一种近距离、低繁杂度、低功耗、低速率、低本钱的双向无线通信技术。主要用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子装备之间进行数据传输以及典型的有周期性数据、间歇性数据以及低反映时间数据传输的应用。

Zig-Bee/802.15.4协议


  8、NFC

  与RFID一样,NFC信息也是通过频谱中无线频率部份的电磁感应耦合方式传递,但两者之间还是存在很大的区别。首先,NFC是一种提供轻松、安全、迅速的通信的无线链接技术,其传输规模比RFID小。 其次,NFC与现有非接触智能卡技术兼容,已经经成为得到愈来愈多主要厂商支撑的正式标准。再次,NFC还是一种近距离链接协议,提供各种装备间轻松、安全、迅速而自动的通信。与无线世界中的其他链接方式相比,NFC是一种近距离的私密通信方式。

  9、Li-Fi技术

  光保真技术,是一种应用可见光波谱(如灯泡发出的光)进行数据传输的全新无线传输技术,由英国爱丁堡大学HaraldHass教授发明。LiFi至关于Wi-Fi的可见光无线通信(VLC)技术,能应用发光二极管(LED)灯泡的光波传输数据,可同时提供照明与无线联网,且不会产生电磁干扰,有助减缓当今网络流量爆增的问题。Li-Fi被认为是新一代的无线传输技术,它是应用可见光通信技术(VLC)来实现互联网的信息传输的。Li-Fi通过各种可见光源作为信号发射源,通过节制器节制灯光的通断,从而节制光源以及终端接管器之间的通信。

  目前在商用环境下实测Li-Fi能达到10Gbps的传输速率,远远超过当前Wi-Fi的传输速度。不过,需要注意的是,目前Li-Fi技术还有必定的局限性,包含传输规模有限(3米左右),如果灯光被阻挡或者光源一旦消失,网络信号便会被切断等弊病。因而,有业内人士表示,Li-Fi技术的商业化至少还要三到四年的时间。

  10、华为Hilink协议

  华为隆重推出自主研发的智能家居“三件套”—Hilink协议、Huawei-LiteOS系统以及IOT芯片。目前市场上各种网络终端用户互联互通协议已经是百家争放,但互相之间仿佛并不友好,互相孤立,各自闭门造车。Hilink协议被誉为是智能装备之间的“普通话”,它能够自动发现装备并一键链接,同时兼容ZigBee、WiFi以及蓝牙等协议。

  11、Mesh/IEEE 802.11s协议

  无线Mesh网络,被称为廉价“Last Mile“宽带接入方案,它应用多跳无线网状结构为移动用户提供宽带接入。Mesh是WLAN与移动Ad Hoc(点对于点)网络的结合。与WLAN相比,各网络终端之间可以对于等的进行直接通信,再也不需要经过AP(基站)转发,且笼盖规模更大。与Ad Hoc相比,因为拥有固定以及电源足量的主干路由器,在移动性以及功耗上可不用斟酌太多。

  优点:网络部署快,无需繁杂配置;网络稳定,任意节点坏了,不影响其他装备数据传输;网络笼盖规模大,可以以及多种宽带无线接入技术(如WLAN、WiMAX、UWB、3G等)相结合组成更大的多跳网状结构。

  缺陷:拥有必定的延迟性,不适于实时监控的应用领域,网络容量有限。

Mesh/IEEE 802.11s协议


  12、Thread /IEEE 802.15.4协议

  Thread以及ZigBee同属802.15.4,但是针对于802.15.4做了很大的改良。Thread是树立在IPv6的基础之上的一个协议,无论在传输安全,还是系统可靠性上都做了无比棒的优化。它既可以承载高通海尔数十企业组物联网盟AllSeen,也能够支撑苹果的Homekit智能家居平台。谷歌旗下的Nest 将Thread定为家庭物联网的独一通信协议,随后Nest发起产业联盟,联盟成员共同推广Thread协议,Thread短距离通信上面也是大有可为。

  13、Z-Wave协议

  Z-Wave无线组网规格于2004年提出,由丹麦的芯片与软件开发商Zensys主导,Z-wave联盟推广其应用。Z-Wave工作频率美国908.42MHz、欧洲868.42MHz,采取无线网状网络技术,因而任何节点都能直接或者间接地以及通信规模内的其它临近节点通信。数据速率包含9.6kbps以及40kbps.输出功率为1mW以及0 dBm。信号的有效笼盖规模在室内是30m,室外可超过100m。Z-Wave是一种新兴的基于射频的、低本钱、低功耗、高可靠、适于短距离、窄带宽的应用场合。

  Z-Wave专注于家庭自动化,在欧美国家比较流行,进入中国市场较Zigbee晚,市场份额也远远不及Zigbee,且因为频带划分的缘故,虽能在中国发展,但也是走得谨慎翼翼。

  优点:结构简单,低速率,低功耗,低本钱,相对于ZigBee传输距离远,可靠性高。

  缺陷:标准不开放,芯片只能通过Sigma Designs这一独一来源获得。

  无线通信主流技术对照表

Mesh/IEEE 802.11s协议


  各种无线通信技术的合用频段、调制方式、最大作用距离、数据率以及应用领域。这些无线通信技术的作用距离与数据率的瓜葛,数据率越高,作用距离就越短。可用网络技术扩展作用距离而依然保持数据率。

文章来源:检测谈经

 

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