各种主流无线通信技术

各种主流无线通信技术

无线通讯(数据)传输方式及技术原理:

无线通信是利用电磁波信号在自由空间中的传播特性来交换信息的通信方式。 无线通信技术本身具有很多优点,比如成本低廉,无线通信技术不需要建立物理线路,不需要大量的人力来铺设电缆,而且无线通信技术不受工业环境的限制,具有抵抗环境变化的能力较强。 故障诊断也比较容易。 与传统的有线通讯设置和维护相比,无线网络维护可以通过远程诊断完成,更加方便; 扩展性强,当网络需要扩展时,无线通信不需要延长布线; 灵活性强,无线网络不受环境地形等限制,当使用环境发生变化时,无线网络只需进行少量调整即可适应新环境的要求。

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常见的无线通信(数据)传输方法和技术分为“近场无线通信技术”和“远距离无线传输技术”两种。

1、短距离无线通信技术

短(短)距离无线通信技术是指通信双方通过无线电波传输数据,传输距离在比较短的范围内,其应用范围非常广泛。 近年来,应用广泛且具有良好发展前景的短距离无线通信标准包括:Zig-Bee、蓝牙(Bluetooth)、无线宽带(Wi-Fi)、超宽带(UWB)和近场通信( NFC)。

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(1)Zig-Bee:Zig-Bee是一种基于IEEE802.15.4标准的短距离、低功耗无线通信技术。 Zig-Bee源自蜂群的通讯方式。 由于蜜蜂(Bee)依靠飞行和“嗡嗡”(Zig)抖动翅膀来与同伴确定食物源的方向、位置和距离,从而形成蜂群通讯网络。 其特点是距离短,通常的传输距离为10-100m; 低功耗,低功耗待机模式下,2节AAA干电池可支持终端工作6-24个月,甚至更长时间; 其成本,Zig-Bee免协议费,芯片价格便宜; 低速率,Zig-Bee通常工作在20-250kbps的较低速率; Zig-Bee具有时延短、响应速度更快等特点,主要适用于家庭及楼宇控制、工业现场自动化控制、农业信息采集与控制、公共场所信息检测与控制、智能标签等领域,并且可以被嵌入到各种设备中。

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(2)蓝牙(Bluetooth):可实现半径10米内点对点或点对多点的无线数据和声音传输,其数据传输带宽可达1Mbps。 通信介质在2.402GHz和2.480GHz之间。 电磁波。 蓝牙技术可广泛应用于局域网中的各种数据和语音设备,如个人电脑、拨号网络、笔记本电脑、打印机、传真机、数码相机、移动电话和高品质耳机等,以实现各种设备之间随时随地的通讯沟通。

蓝牙技术广泛应用于无线办公环境、汽车工业、信息家电、医疗设备、学校教育、工厂自动控制等领域。 目前蓝牙存在的主要问题是芯片尺寸大、价格高; 且抗干扰能力较弱。 ,

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(3)无线宽带(Wi-Fi):是一种基于802.11协议的无线局域网接入技术。 Wi-Fi技术的突出优点是局域网覆盖范围广,覆盖半径可达100米左右。 与蓝牙技术相比,(Wi-Fi)覆盖范围更广; 传输速度非常快,覆盖半径约100米。 传输速度可达11mbps(802.11b)或54mbps(802.11.a),适合高速数据传输业务; 无需布线,不受布线条件限制,非常适合移动办公用户的需求。 在一些人口密集的地方设置“热点”,如火车站、汽车站、商场、机场、图书馆、校园等,互联网可以通过高速线路连接到上述地方。 用户只需将支持无线网络的终端设备放置在区域内即可高速上网; 健康安全,具有WiFi功能的产品发射功率不超过100毫瓦,实际发射功率在60-70毫瓦左右,与手机类似,与手持对讲机等通讯设备相比,WiFi产品具有较小的辐射。

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(4)超宽带(UWB):UWB是一种无载波通信技术,利用纳秒至皮秒非正弦窄脉冲来传输数据。 其传输距离通常在10M以内,使用1GHz以上的带宽,通信速度可达数百Mbit/s以上,UWB的工作频率范围为3.1GHz至10.6GHz,最小工作带宽为500兆赫。

其主要特点是:传输速率高; 发射功率低,功耗低; 保密性强; UWB通信采用时序,可以抵抗多径衰落; UWB需要很少的射频和微波器件,可以降低系统成本。 复杂。 由于UWB系统占用的带宽非常高,因此UWB系统可能会对现有的其他无线通信系统产生干扰。 UWB主要应用于具有高分辨率“较小范围”的雷达和图像系统,可以穿透墙壁和地面等障碍物。

该装置可用于检查建筑物、桥梁、道路等工程的混凝土和沥青结构的缺陷,以及定位地下电缆和其他管道的故障位置,还可用于疾病诊断。 此外,在救援、安全防范、消防、医疗、医学图像处理等领域也非常有用。

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(5)NFC:NFC是一种新型短距离无线通信技术,工作频率为13.56MHz。 它是由13.56MHz射频识别(RFID)技术发展而来。 它类似于目前流行的非接触式智能卡ISO14443。 使用相同的频率,为所有消费电子产品提供了便捷的通信方式。 NFC采用幅移键控(ASK)调制方式,其数据传输速率一般为106kbit/s和424kbit/s。 NFC的主要优点是:距离短、带宽高、能耗低、与非接触式智能卡技术兼容。 在门禁、公共交通、移动支付等领域具有广泛的应用价值。

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NFC的应用场景基本上可以分为以下五类:

接触式通行证,主要用于会议入场、交通卡口、门禁、活动门票等;

B接触式确认/支付,主要应用于手机钱包、手机和公交支付等;

C接触式连接,该应用可以实现两个具有NFC功能的设备之间点对点的数据传输;

D接触式浏览,用户可以通过NFC手机了解并使用系统可以提供的功能和服务;

E-Download-Contact,通过具有NFC功能的终端设备,利用GPRS/CDMA网络接收或下载相关信息,实现门禁或支付等功能。

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2、远距离无线传输技术

远距离无线传输技术:目前,在偏远地区广泛应用的无线通信技术主要有GPRS/CDMA、数字无线电、扩频微波、无线网桥和卫星通信、短波通信技术等,主要应用于相对偏远或不适合敷设线路的地区,如:煤矿、海域、有污染或环境恶劣的地区等。

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(1)GPRS/CDMA无线通信技术:GPRS(通用无线分组业务)是中国移动开发和运营的基于GSM通信系统的无线分组交换技术。 它是介于第二代和第三代之间的技术。 通常称为2.5G,是一种利用分组交换概念发展起来的无线传输方式。 分组交换将数据封装成许多独立的分组,然后将这些分组一一发送出去。 形式有点类似于寄包裹。 它的优点是只有在有数据传输时才会占用带宽,并且根据数据量定价,有效。 以提高网络利用率。 GPRS网络同时支持电路型数据和分组交换数据,使得GPRS网络可以方便地连接到互联网。 与原有GSM网络的电路交换数据传输方式相比,GRRS的分组交换技术具有实时在线“按需付费”的高速传输等优势。

CDMA(码分多址)是中国电信运营的一种基于码分技术和多址技术的新型无线通信系统,其原理基于扩频技术。

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(2)数字无线电通信:数字无线电是数字无线数据传输无线电的简称。 它是采用数字信号处理、数字调制解调的无线数据传输站,具有前向纠错、均衡软判决等功能。 数字广播电台的工作频率大多采用220–240MHz或400–470MHz频段。 兼容数字、电话,数据传输实时性好,专用数据传输通道,一次性投资,无运营费,适合恶劣环境,稳定。 好等待优势。 数字广播电台的有效覆盖半径约为数十公里,可以覆盖一个城市或某个区域。 数字电台通常提供标准的RS-232数据接口,可以直接连接计算机、数据采集器、RTU、PLC、数据终端、GPS接收器、数码相机等,已广泛应用于各个行业,包括航空航天、铁路、电力、石油、气象、地震等行业。 在远程控制、遥测、震动信号、遥感等SCADA领域也取得了长足的进步和发展。

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(3)扩频微波通信:扩频通信,即扩频通信技术,是指用于传输信息的信号带宽远大于信息本身带宽的通信技术。 最初用于军事通讯。 其传输的基本原理是用伪随机码序列(扩频码)对传输的信息进行调制。 伪随机码的速率远大于传输信息的速率。 此时,传输信号所占用的带宽远大于信息本身所需的带宽。 带宽实现了频谱扩展,同时传输到空间的无线电功率谱密度也大大降低。 在接收端,使用相同的扩频码进行相关解调,恢复出信息数据! 其主要特点是:极强的抗噪声能力; 极强的抗干扰能力; 抗褪色能力强; 抗多径干扰能力强; 易于多媒体通讯组网; 具有良好的安全通信能力; 不干扰其他类似系统等; 同时具有传输距离远、覆盖范围广的特点,特别适合现场组网应用。

(4)无线网桥:无线网桥是无线射频技术与传统有线网桥技术相结合的产物。 无线网桥设计用于使用无线(微波)进行长距离数据传输的点对点网络互连。 它是在链路层实现局域网互联的存储转发设备。 可用于固定数字设备与其他固定数字设备之间的长距离(长达50Km)和高速(高达100 Mbps)无线组网。 扩频微波和无线桥接技术都可以用来传输视频监控等需要较高带宽的大容量信号传输业务。

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(5)卫星通信:卫星通信是指利用人造地球卫星作为中继站转发无线电信号,实现多个地面站之间通信的技术。 它是地面微波通信的继承和发展。 卫星通信系统通常由两部分组成,即卫星终端和地面终端。 卫星终端位于空中,主要用于放大地面站发送的信号,转发给其他地面站。 地面站主要用于控制和跟踪卫星,实现地面通信系统与卫星通信系统的接入。

卫星可分为同步卫星和非同步卫星。 天空同步卫星的运行方向和周期与地球的自转方向和周期相同。 从地面任何位置看,卫星都是静止的; 非同步卫星的运行周期无论是大于还是小于地球轨道周期,其轨道高度的“倾角”形状都可以根据需要进行调整。

卫星通信的特点是:覆盖范围广、工作频率宽、通信质量好、不受地理条件限制、成本与通信距离无关。 主要应用于国际通信、国内通信、军事通信、移动通信和广播电视领域。 卫星通信的主要缺点是通信存在一定的延迟。 例如,拨打卫星电话时,无法立即听到对方的回复。 主要原因是卫星通信的传输距离较长,无线电波在空中传输存在一定的延迟。

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(6)短波通信:根据国际无线电咨询委员会的规定,短波是指波长为100m-10m、频率为3MHZ-30MHZ的电磁波。 短波通信是指使用短波的无线电通信,也称为高频(HF)通信。 短波通信可分为地波传播和天波传播。 地波传播的衰减随着工作频率的增加而增加。 相同地面条件下,频率越高,衰减越大。 利用地波只适合短距离通信,其工作频率一般选择5MHZ以下。 地波传播受天气影响较小,相对稳定。 通道参数基本不随时间变化,因此可以将通道视为常参数通道。 天波传播是一种利用电离层反射无线电波的长距离通信方法。 倾斜投射的电磁波经电离层反射后,可以传输到数千公里外的地面。 天波的传播损耗比地波小得多。 经过地面和电离层之间的多次反射,它们可以到达极其遥远的地方。 因此,天波可以用于全球通信。 天波传播由于电离层变化和多径传播的严重影响而极其不稳定,其信道参数随时间快速变化,因此称为变参数信道。 短波通信的特点是:建设和维护成本低、周期短、设备简单、电路调度容易、抗毁性强、频段窄、通信容量小、天波信道信号传输稳定性差。

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各种主流无线通信技术对比

目前流行的无线通信技术包括:RFID、GPRS、蓝牙、Wi-Fi(IEEE 802.11协议)、IrDA、UWB、Zig-Bee和NFC、华为Hilink协议、Mesh、Thread、Z-Wave和LiFi。

1. 射频识别

RFID 是一种简单的无线系统,只有两个基本组件,用于控制、检测和跟踪物体。 该系统由一个询问器和许多应答器组成。

应答器:由天线、耦合元件和芯片组成。 一般来说,标签用作应答器。 每个标签都有唯一的电子代码,贴在物体上以识别目标物体。

读写器:由天线、耦合元件、芯片组成。 它是一种读取(有时也写入)标签信息的设备。 它可以被设计为手持式RFID

应用软件系统:是应用层软件,主要对采集到的数据进行进一步处理,供人们使用。

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2.GPRS

下图是典型的GPRS系统结构图。 监控中心连接互联网,支持一些复杂的应用。 另外,它支持多种通讯方式,使用户可以随时随地通过多种通讯方式监控实际应用点。 该方案还允许监控中心同时与多个GPRS模块通信,从而监控多个工作地点。

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3.蓝牙/IEEE 802.15.1协议

蓝牙技术最早始于1994年,由瑞典爱立信公司开发。 它采用调频技术(跳频扩频),通信频段为2.402G Hz-2.480GHz。 到目前为止,已经更新了9个版本,分别是蓝牙1.0/1.1/1.2/2.0/2.1/3.0/4.0/4.1/4.2。 通信半径从几米延伸到数百米。

在微信、百度云还不太流行的时候,我们总是习惯打开手机中的蓝牙设备,和身边的朋友分享手机上有趣的事情。 蓝牙技术广泛应用于手机、PDA等移动设备、PC、GPS设备以及大量无线外设(蓝牙耳机、蓝牙键盘等)。

蓝牙技术也与物联网的发展保持同步。 最新的蓝牙4.2拥有高达1Mbps的数据传输速率、更强大的隐私功能以及Ipv6网络支持。 在智能家居领域,采用Bultooth Smart技术的蓝牙设备可以在不连接互联网的情况下实现设备之间的“对话”。 这样可以解决突然断网、没有WiFi的问题,智能家居设备仍然能够继续工作。

优点:速度快、功耗低、安全性高。

缺点:网络节点少,不适合多点部署和控制。 蓝牙系统由无线单元、链路控制器、链路管理器和向主机提供接口功能的支持单元组成。

蓝牙无线单元是微波跳频扩频通信系统。 数据和语音信息被分组在指定的时隙中并以指定的跳频频率发送和接收。 跳频序列由主设备地址确定,采用寻呼和查询的方式建立信道连接。 链路控制器(基带控制器)包括基带数字信号处理的硬件部分,完成基带协议和其他底层链路程序。 链路管理器(LM)软件实现链路建立、验证、链路配置及其协议。 链路管理器可以通过连接管理协议LMP发现其他链路管理器并建立通信链路。 链路管理器通过链路控制器提供的服务来实现上述功能。

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4. 无线网络

全称是Wireless-Fidelity,它是无线局域网(WLAN)中的一个标准。 自1999年推出以来,它一直是我们生活中最常用的上网方式之一。 通常WiFi技术使用2.4GHz和5GHz左右的频段,无线路由器可以连接到有线网络,将有线信号转换为WiFi信号。 WiFi 标准系列还包括 802.11a、802.11b、802.11g 和 802.11n。

WiFi联盟在2016年公布的最新802.11ah WiFi标准——WiFi HaLow,让WiFi可以用在更多的地方,例如:小型、电池供电的可穿戴设备,也适合部署在工业设施中,以及之间。 应用程序之间。 HaLow使用900MHz频段,低于当前WiFi的2.4GHz和5GHz频段。 功耗更低,同时HaLow的覆盖范围可达1公里,信号更强,不易受到干扰。 这些特点使得WiFi更加符合物联网时代的发展。

优点:覆盖范围广,数据传输速率快。

缺点:传输安全性差、稳定性差、功耗稍高、联网能力差。 与其他解决方案相比,Wi-Fi 解决方案的设计相对简单。 只需要通过MCU控制WIFI模块,通过CAN总线与主板进行通信,然后通过WIFI模块将消息传输到互联网上。 通过连接到服务器,服务器然后处理数据。

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5.红外线

红外通信主要由三部分组成:

(1)发射机部分:现有红外无线数字通信系统的信息源包括语音、数据、图像等。

(2)通道部分:其功能有:整形、滤波、视场变换、频段划分等。

(3)终端部分:红外无线数字通信系统的终端部分包括光接收部分、采样、滤波、决策、量化、均衡和解码部分。

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6.超宽带

UWB(超宽带)是一种无载波通信技术,利用纳秒到皮秒的非正弦窄脉冲来传输数据。 通过在宽频谱上传输极低功耗的信号,UWB可以在约10米的范围内实现数百Mbit/s至数Gbit/s的数据传输速率。

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7. Zig-Bee/802.15.4协议

该技术是一种短距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通信技术。 主要用于各种电子设备之间短距离、低功耗、低传输速率的数据传输,以及周期性数据、间歇性数据和低响应时间数据传输的典型应用。

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8.NFC

与RFID一样,NFC信息也是在频谱的无线频率部分通过电磁感应耦合来传输的,但两者还是有很大的区别。 首先,NFC是一种无线连接技术,可提供轻松、安全、快速的通信。 其传输范围比RFID小。 其次,NFC与现有的非接触式智能卡技术兼容,并已成为越来越多主要厂商支持的正式标准。 第三,NFC也是一种短距离连接协议,可以在各种设备之间提供简单、安全、快速和自动的通信。 与无线世界中的其他连接方式相比,NFC是一种近距离私密通信方式。

9.Li-Fi技术

光纤保真技术是一种利用可见光谱(如灯泡发出的光)进行数据传输的新型无线传输技术。 它是由英国爱丁堡大学哈拉尔德·哈斯教授发明的。 LiFi 是相当于 Wi-Fi 的可见光无线通信 (VLC) 技术。 它可以利用发光二极管(LED)灯泡的光波来传输数据。 它可以同时提供照明和无线网络,而不会造成电磁干扰,有助于缓解当今的网络流量爆炸。 增加问题。 Li-Fi被认为是新一代无线传输技术,利用可见光通信技术(VLC)实现互联网上的信息传输。 Li-Fi采用各种可见光源作为信号发射源,通过控制器控制灯光的亮灭,从而控制光源与终端接收器之间的通信。

目前,Li-Fi已在商业环境中实测达到10Gbps的传输速率,远超目前Wi-Fi的传输速度。 但需要注意的是,Li-Fi技术目前存在一定的局限性,包括传输范围有限(约3米),如果光线被遮挡或光源消失,网络信号就会被切断。 因此,业内人士表示,Li-Fi技术的商业化至少还需要三到四年的时间。

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系统和IOT芯片。 目前,市场上有数百种不同的网络最终用户互连协议,但它们似乎相互不友好、相互隔离、闭门造车。 Hilink协议被誉为智能设备之间的“普通话”。 它可以自动发现设备并一键连接。 它还兼容ZigBee、WiFi、蓝牙等协议。

11.Mesh/IEEE 802.11s协议

无线Mesh网络被称为廉价的“最后一英里”宽带接入解决方案,采用多跳无线Mesh结构为移动用户提供宽带接入。 Mesh 是 WLAN 和移动 Ad Hoc(点对点)网络的结合。 与WLAN相比,每个网络终端都可以进行点对点直接通信,不再需要经过AP(基站)转发,覆盖范围更大。 与Ad Hoc相比,由于骨干路由器有固定且充足的电源,因此在移动性和功耗方面无需考虑太多。

优点:网络部署快,不需要复杂的配置; 网络稳定,任意节点故障,不会影响其他设备的数据传输; 网络覆盖范围大,可以与多种宽带无线接入技术(如WLAN、WiMAX、UWB、3G等)结合,形成更大的多跳网络结构。

缺点:有一定的时延,不适合实时监控的应用领域,网络容量有限。

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12.Thread/IEEE 802.15.4协议

Thread和ZigBee都属于802.15.4,但对802.15.4做了很大的改进。 Thread是建立在IPv6基础上的协议,在传输安全性和系统可靠性方面都做了非常好的优化。 它不仅可以搭载高通AllSeen,还支持苹果Homekit智能家居平台。 谷歌旗下的 Nest 将 Thread 指定为家庭物联网的唯一通信协议。 随后,Nest发起了行业联盟,联盟成员共同推广Thread协议。 线程在短距离通信方面也具有巨大潜力。

13.Z-Wave协议

Z-Wave 无线网络规范于 2004 年提出,由丹麦芯片和软件开发商 Zensys 主导。 Z-wave联盟推动其应用。 Z-Wave 的工作频率在美国为 908.42MHz,在欧洲为 868.42MHz。 它采用无线网状网络技术,因此任何节点都可以直接或间接地与通信范围内的其他相邻节点进行通信。 数据速率包括 9.6kbps 和 40kbps。 输出功率为 1mW 和 0 dBm。 信号有效覆盖范围室内30m,室外可超过100m。 Z-Wave是一种新兴的基于射频的射频技术,低成本、低功耗、高可靠性,适合短距离、窄带宽的应用。

Z-Wave主打家庭自动化,在欧美国家比较流行。 它进入中国市场晚于Zigbee,市场份额远不及Zigbee。 由于频段的划分,虽然在中国可以发展,但还是比较谨慎。

优点:结构简单、速率低、功耗低、成本低、传输距离比ZigBee更长、可靠性高。

缺点:标准不开放,芯片只能从唯一来源Sigma Designs获得。

主流无线通信技术对比表

各种主流无线通信技术/

各种无线通信技术的适用频段、调制方式、最大范围、数据速率和应用领域。 这些无线通信技术的工作距离与数据速率之间的关系。 数据速率越高,操作距离越短。 网络技术可用于扩展范围,同时仍保持数据速率。