盘点各种主流无线通信技术

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摘要:无线通信技术自身有很多优点,成本较低,无线通信技术不必建立物理线路,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,对抗环境的变化能力较强,故障诊断也较为容易,相对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,更加便捷;扩展性强,当网络需要扩展时,无线通信不需要扩展布线;灵活性强,无线网络不受环境地形等限制,而且在使用环境发生变化时,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:

  无线通信是利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。无线通信技术自身有很多优点,成本较低,无线通信技术不必建立物理线路,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,对抗环境的变化能力较强,故障诊断也较为容易,相对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,更加便捷;扩展性强,当网络需要扩展时,无线通信不需要扩展布线;灵活性强,无线网络不受环境地形等限制,而且在使用环境发生变化时,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”和“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范围内,其应用范围非常广泛。近年来,应用较为广泛及具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)和近场通信(NFC)。

近距离无线通信技术


  (1)Zig-Bee:Zig-Bee是基于IEEE802.15.4标准而建立的一种短距离、低功耗的无线通信技术。Zig-Bee来源于蜜蜂群的通信方式,由于蜜蜂(Bee)是靠飞翔和‘嗡嗡’(Zig)地抖动翅膀的来与同伴确定食物源的方向、位置和距离等信息,从而构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号干电池可支持1个终端工作6-24个月,甚至更长;其成本,Zig-Bee免协议费,芯片价格便宜;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。主要适用于家庭和楼宇控制、工业现场自动化控制、农业信息收集与控制、公共场所信息检测与控制、智能型标签等领域,可以嵌入各种设备。

近距离无线通信技术


  (2)蓝牙(Bluetooth):能够在10米的半径范围内实现点对点或一点对多点的无线数据和声音传输,其数据传输带宽可达1Mbps通讯介质为频率在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设备,如PC、拨号网络、笔记本电脑、打印机、传真机、数码相机、移动电话和高品质耳机等,实现各类设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、医疗设备以及学校教育和工厂自动控制等领域,蓝牙目前存在的主要问题是芯片大小和价格较高;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覆盖范围,其覆盖半径可达100米左右,相比于蓝牙技术,(Wi-Fi)覆盖范围较广;传输速度非常快,其传输速度可以达到11mbps(802.11b)或者54mbps(802.11.a),适合高速数据传输的业务;无须布线,可以不受布线条件的限制,非常适合移动办公用户的需要。在一些人员密集的地方,比如火车站、汽车站、商场、机场、图书馆、校园等地方设置‘热点’,可以通过高速线路将因特网接入上述场所。用户只需要将支持无线网络的终端设备该区域内,即可高速接入因特网;健康安全,具有WiFi功能的产品发射功率不超过100毫瓦,实际发射功率约60-70毫瓦,与手机、手持式对讲机等通讯设备相比,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,利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以内,使用1GHz以上带宽,通信速度可以达到几百兆bit/s以上,UWB的工作频段范围从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通信采用调时序列,能够抗多径衰落;UWB所需要的射频和微波器件很少,可以减小系统的复杂性。由于系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"较小范围"能够穿透墙壁"地面等障碍物的雷达和图像系统中。

  这种装置可以用来检查楼房、桥梁、道路等工程的混凝土和沥青结构中的缺陷,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,在救援、治安防范、消防及医疗、医学图像处理等领域都大有用途。

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的射频识别(RFID)技术发展而来,它与目前广为流行的非接触智能卡ISO14443所采用的频率相同,这就为所有的消费类电子产品提供了一种方便的通讯方式。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以下五类:

  A接触-通过,主要应用在会议入场、交通关卡、门禁控制和赛事门票等方面;

  B接触-确认/支付,主要应用在手机钱包、移动和公交付费等方面;

  C接触-连接,这种应用可以实现2个具有NFC功能的设备实现数据的点对点传输;

  D接触-浏览,用户可以通过NFC手机了解和使用系统所能提供的功能和服务;

  E下载-接触,通过具有NFC功能的终端设备,使用GPRS/CDMA网络接收或下载相关信息,用于门禁或支付等功能。

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讯技术主要有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不宜铺设线路的地区,如:煤矿、海上、有污染或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,是介于第二代和第三代之间的技术,通常称为2.5G它是利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,有效的提高网络的利用率。GPRS网络同时支持电路型数据和分组交换数据,从而GPRS网络能够方便的和因特网互相连接,相比原来的GSM网络的电路交换数据传送方式,GRRS的分组交换技术具有实时在线"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和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。它是采用数字信号处理、数字调制解调、具有前向纠错、均衡软判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400--470MHz频段,具有数话兼容、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、适用于恶劣环境、稳定性好等优点。数传电台的有效覆盖半径约有几十公里,可以覆盖一个城市或一定的区域。数传电台通常提供标准的RS-232数据接口,可直接与计算机、数据采集器、RTU、PLC、数据终端、GPS接收机、数码相机等连接。已经在各行业取得广泛的应用,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领域也取得了长足的进步和发展。

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远大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,伪随机码的速率远大于传送信息的速率,这时发送信号所占据带宽远大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。在接收端则采用相同的扩频码进行相关解调并恢复信息数据!其主要特点是:抗噪声能力极强;抗干扰能力极强;抗衰落能力强;抗多径干扰能力强;易于多媒体通信组网;具有良好的安全通信能力;不干扰同类的其他系统等,同时具有传输距离远、覆盖面广等特点,特别适合野外联网应用。

  (4)无线网桥:无线网桥是无线射频技术和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互联的存储转发设备,可用于固定数字设备与其他固定数字设备之间的远距离(可达50Km)、高速(可达百兆bps)无线组网。扩频微波和无线网桥技术都可以用来传输对带宽要求相当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:卫星通信是指利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和发展。卫星通信系统通常由二部分组成,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。地面站主要用于对卫星的控制、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和非同步卫星,同步卫星在空中的运行方向和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小于地球的运行周期,其轨道高度"倾角"形状都可根据需要调整。

  卫星通信的的特点是:覆盖范围广,工作频带宽,通信质量好,不受地理条件限制,成本与通信距离无关等。其主要用在国际通信,国内通信,军事通信,移动通信和广播电视等领域,卫星通信的主要缺点是通信具有一定的延迟,比如打卫星电话时,不能立即听到对方回话,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是有一定延迟的。

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。短波通信是指利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和天波传播。地波传播的衰耗随工作频率的升高而递增,在同样的地面条件下,频率越高,衰耗越大。利用地波只适用于近距离通信,其工作频率一般选在5MHZ以下。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,倾斜投射的电磁波经电离层反射后,可以传到几千千米外的地面。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之后,可以达到极远的地方,因此,利用天波可以进行环球通信。天波传播因受电离层变化和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,因此称为变参信道。短波通信的特点是:建设维护费用低,周期短,设备简单,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


  各种主流无线通讯技术之间的比较

  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和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,该系统用于控制、检测和跟踪物体。系统由一个询问器和很多应答器组成。

  应答器:由天线,耦合元件及芯片组成,一般来说都是用标签作为应答器,每个标签具有唯一的电子编码,附着在物体上标识目标对象。

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

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

RFID

 

      2、GPRS

  如下图为典型GPRS系统结构图,通过监控中心与Internet相连,可以支持一些比较复杂的应用,另外支持的通信方式比较多,使用户可以随时随地以多种通信方式来监控实际应用点。该方案还可以让监控中心同时和多个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。它采用调频技术(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。

  在微信和百度云还不太普及的时候,我们总是习惯打开手机里的蓝牙设备,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等移动设备上,PC、GPS设备以及大量的无线外围设备(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网络支持。在智能家居领域,采用了Bultooth Smart技术的蓝牙设备之间可以不通网络就能实现设备与设备之间的“对话”。由此可以解决突然断网没有了WiFi的情况下,智能家居设备们仍将可以继续工作。

  优点:速率快、低功耗,安全性高。

  缺点:网络节点少,不适合多点布控。蓝牙系统由无线单元、链路控制器、链路管理器和提供到主机端接口功能的,支持单元组成。

  蓝牙无线单元是一个微波跳频扩频通信系统,数据和话音信息分组在指定时隙,指定跳频频率发送和接收。跳频序列由主设备设备地址决定,采用寻呼和查询方式建立信道连接。链路控制(基带控制)器包括基带数字信号处理的硬件部分并完成基带协议和其它底层链路规程。链路管理器(LM)软件实现链路的建立、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,并通过连接管理协议LMP建立通信联系。链路管理器通过链路控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我们生活中较常用的访问互联网的方式之一。通常WiFi技术使用2.4GHz和5GHz周围频段,通过有线网络外接一个无线路由器,就可以把有线信号转换成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可以被运用到更多地方如:小尺寸、电池供电的可穿戴设备同时也适用于工业设施内的部署,以及介于两者之间的应用。 HaLow采用900MHz频段,低于当前WiFi的2.4GHz和5GHz频段。更低功耗,同时HaLow的覆盖范围可以达到1公里,信号更强,且不容易被干扰。这些特点使得WiFi更加顺应了物联网时代的发展。

  优点:覆盖范围广,数据传输速率快。

  缺点:传输安全性不好,稳定性差,功耗略高,组网能力差。Wi-Fi方案的设计相对其他方案比较简单,仅需要通过MCU控制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。通过连接服务器,然后服务器对数据进行处理。

Bluetooth/IEEE 802.15.1协议


  5、IrDA

  红外通讯主要有3部分组成:

  (1)发射器部分:目前已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)信道部分:它们的作用是: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终端部分包括光接收部分、采样、滤波、判决、量化、均衡和解码等部分。

IrDA

 


  6、UWB

  UWB(UltraWideband)是一种无载波通信技术,利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米左右的范围内实现数百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、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通讯技术。主要用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输以及典型的有周期性数据、间歇性数据和低反应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分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、迅速的通信的无线连接技术,其传输范围比RFID小。 其次,NFC与现有非接触智能卡技术兼容,已经成为得到越来越多主要厂商支持的正式标准。再次,NFC还是一种近距离连接协议,提供各种设备间轻松、安全、迅速而自动的通信。与无线世界中的其他连接方式相比,NFC是一种近距离的私密通信方式。

  9、Li-Fi技术

  光保真技术,是一种利用可见光波谱(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相当于Wi-Fi的可见光无线通信(VLC)技术,能利用发光二极管(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,有助缓解现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,它是利用可见光通讯技术(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,通过控制器控制灯光的通断,从而控制光源和终端接收器之间的通讯。

  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技术还有一定的局限性,包括传输范围有限(3米左右),如果灯光被阻挡或光源一旦消失,网络信号便会被切断等弊端。因此,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是百家争放,但相互之间似乎并不友好,相互孤立,各自闭门造车。Hilink协议被誉为是智能设备之间的“普通话”,它能够自动发现设备并一键连接,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,它利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(点对点)网络的结合。与WLAN相比,各网络终端之间可以对等的进行直接通信,不再需要经过AP(基站)转发,且覆盖范围更大。与Ad Hoc相比,由于具有固定和电源充足的主干路由器,在移动性和功耗上可不用考虑太多。

  优点:网络部署快,无需复杂配置;网络稳定,任意节点坏了,不影响其他设备数据传输;网络覆盖范围大,可以和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。

  缺点:具有一定的延迟性,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和ZigBee同属802.15.4,但是针对802.15.4做了很大的改进。Thread是建立在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非常棒的优化。它既可以承载高通海尔数十企业组物联网盟AllSeen,也可以支持苹果的Homekit智能家居平台。谷歌旗下的Nest 将Thread定为家庭物联网的唯一通讯协定,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,采用无线网状网络技术,因此任何节点都能直接或间接地和通信范围内的其它临近节点通信。数据速率包括9.6kbps和40kbps.输出功率为1mW和0 dBm。信号的有效覆盖范围在室内是30m,室外可超过100m。Z-Wave是一种新兴的基于射频的、低成本、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,且由于频带划分的原因,虽能在中国发展,但也是走得小心翼翼。

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

  缺点:标准不开放,芯片只能通过Sigma Designs这一唯一来源获取。

  无线通讯主流技术对比表

Mesh/IEEE 802.11s协议


  各种无线通信技术的适用频段、调制方式、最大作用距离、数据率和应用领域。这些无线通信技术的作用距离与数据率的关系,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仍然保持数据率。

文章来源:检测谈经

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