无线接口系列之无线通信技术简介

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本文主要介绍常见的无线通信技术,包括Bluetooth、Wi-Fi、ZigBee、IrDA、UWB、NFC、WiMAX、RFID、GPRS、华为Hilink协议、Mesh、Thread、Z-Wave、LiFi等等。

1、蓝牙技术(BlueTooth)

蓝牙(Bluetooth)技术是由Ericsson、IBM、Intel、Nokia和Toshiba公司于1998年5月共同提出开发的。从最初的Bluetooth V1.0,到Bluetooth V5.1,经历了十几个版本的修订后,发展为当前的状况。

蓝牙技术是使用2.4GHz的ISM公用频道的一种短距离、低成本的无线接入技术,主要应用于近距离的语音和数据传输业务。蓝牙设备的工作频段选用全世界范围内都可以自由使用的2.4GHz ISM频段。用户无需申请即可使用,大多数国家使用79个频点,载频为(2402+k)MHz(k=0, 1, 2…78),载频间隔1MHz。采用TDD时分双工方式。采用跳频速率为1600跳/秒,使得蓝牙系统具有足够高的抗干扰能力,设备简单性能优越。根据其发射功率的不同,蓝牙设备之间的有效通讯距离大约为10~100m。

2、WiFi(Wireless Fidelity)

WiFi(Wireless Fidelity,无线保真)技术是一个基于IEEE802.11系列标准的无线网路通信技术的品牌,目的是改善基于IEEE802.11标准的无线网路产品之间的互通性,由Wi-Fi联盟(Wi-Fi Alliance)所持有,简单来说WiFi就是一种无线联网的技术,以前通过网络连接电脑,而现在则是通过无线电波来连网。而WiFi联盟成立于1999年,当时的名称叫做Wireless Ethernet Compatibility Alliance(WECA),在2002年10月,正式改名为WiFi Alliance。

WiFi网络从802.11的2.4GHz频段到后来802.11a的5GHz频段,再到802.11n的2.4GHz和5GHz兼容频段,再到802.11ad的60GHz频段。前后经历了近十个版本的演变,目前最新的802.11ax又回归到2.4GHz和5GHz兼容频段,能达到9.6Gbps的速率。

WiFi覆盖范围很广,可达100m,但其电波易受干扰、速度较快。由于使用电波作为传送媒介,资料包被截取的可能性高,这也成为用户担心的问题。现在WiFi产品利用WED(Wired Equivalent Privacy)技术作为资料加密之用。

3、ZigBee

ZigBee是一种短距离、低功率、低速率无线接入技术。ZigBee主要应用在短距离范围之内并且数据传输速率不高的各种电子设备之间。工作在2.4GHz ISM频段,速率为10K~250Kbps,传输距离为10~75m,技术和蓝牙接近,但ZigBee更简单、速率更慢、功率及费用也更低。它的最高速率是250K,当降低到28K时,传输范围可扩大到134m,并获得更高的可靠性。另外,它可与254个节点联网。可以比蓝牙更好地支持游戏、消费电子、仪器和家庭自动化应用。但ZigBee大多时候处于睡眠模式,适合于不需要实时传输或连续更新的场合。ZigBee是IEEE 802.15.4的扩展集,物理层标准采用三个频段:北美2.4GHz和915MHz、欧洲868MHz。

ZigBee名字来源于蜂群使用的赖以生存和发展的通信方式,蜜蜂通过跳ZigZag形状的舞蹈来分享新发现的食物源的位置、距离和方向等信息。

ZigBee联盟成立于2001年8月。2002年下半年,Invensys、Mitsubishi、Motorola以及Philips半导体公司四大巨头共同宣布加盟ZigBee联盟,以研发名为ZigBee的下一代无线通信标准。到目前为止,该联盟大约已有27家成员企业。所有这些公司都参加了负责开发ZigBee物理和媒体控制层技术标准的IEEE 802.15.4工作组。ZigBee联盟负责制定网络层以上协议。ZigBee协议比蓝牙、高速率个人区域网或802.11x无线局域网更简单实用。

4、IrDA(Infrared Data Association)

红外线数据协会IrDA(InfraredData Association)成立于1993年。起初,采用IrDA标准的无线设备仅能在1m范围内以115.2Kb/s速率传输数据,很快发展到4Mb/s以及16Mb/s的速率。IrDA是一种利用红外线进行点对点通信的技术,是第一个实现无线个人局域网(PAN)的技术。目前它的软硬件技术都很成熟,在小型移动设备,如PDA、手机上广泛使用。事实上,当今每一个出厂的PDA及许多手机、笔记本电脑、打印机等产品都支持IrDA。

IrDA的主要优点是无需申请频率的使用权,因而红外通信成本低廉。并且还具有移动通信所需的体积小、功耗低、连接方便、简单易用的特点。此外,红外线发射角度较小,传输上安全性高。IrDA的不足在于它是一种视距传输,两个相互通信的设备之间必须对准,中间不能被其它物体阻隔,因而该技术只能用于2台(非多台)设备之间的连接。而蓝牙就没有此限制,且不受墙壁的阻隔。IrDA目前的研究方向是如何解决视距传输问题及提高数据传输率。

5、UWB(Ultra WideBand)

超宽带技术UWB(Ultra Wideband)是一种无线载波通信技术,它不采用正弦载波,而是利用纳秒级的非正弦波窄脉冲传输数据,因此其所占的频谱范围很宽。在短距离传输(13m以下)有很大优势,最高传输速度可达1Gbps,而传统的窄带技术在长距离、低速传输具有优势。

UWB可在非常宽的带宽上传输信号,美国FCC对UWB的规定为:在3.1~10.6GHz频段中占用500MHz以上的带宽。由于UWB可以利用低功耗、低复杂度发射/接收机实现高速数据传输,在近年来得到了迅速发展。它在非常宽的频谱范围内采用低功率脉冲传送数据而不会对常规窄带无线通信系统造成大的干扰,并可充分利用频谱资源。基于UWB技术而构建的高速率数据收发机有着广泛的用途。

UWB技术具有系统复杂度低,发射信号功率谱密度低,对信道衰落不敏感,低截获能力,定位精度高等优点,尤其适用于室内等密集多径场所的高速无线接入,非常适于建立一个高效的无线局域网或无线个域网(WPAN)。

UWB主要应用在小范围、高分辨率、能够穿透墙壁、地面和身体的雷达和图像系统中。除此之外,这种新技术适用于对速率要求非常高(大于100Mb/s)的LANs或PANs。

UWB最具特色的应用将是视频消费娱乐方面的无线个人局域网(PANs)。现有的无线通信方式,802.11b和蓝牙的速率太慢,不适合传输视频数据;54Mb/s速率的802.11a标准可以处理视频数据,但费用昂贵。而UWB有可能在10m范围内,支持高达110Mb/s的数据传输率,不需要压缩数据,可以快速、简单、经济地完成视频数据处理。具有一定相容性和高速、低成本、低功耗的优点使得UWB较适合家庭无线消费市场的需求:UWB尤其适合近距离内高速传送大量多媒体数据以及可以穿透障碍物的突出优点,让很多商业公司将其看作是一种很有前途的无线通信技术,应用于诸如将视频信号从机顶盒无线传送到数字电视等家庭场合。当然,UWB未来的前途还要取决于各种无线方案的技术发展、成本、用户使用习惯和市场成熟度等多方面的因素。

6、WiMAX(Worldwide Interoperability for Microwave Access)

全球互通微波访问(英语:Worldwide Interoperability for Microwave Access,缩写为WiMAX)是一项高速无线数据网络标准,主要用在城域网,由WiMAX论坛提出并于2001年6月成形。它可提供至少一英里无线宽带接入,作为电缆和DSL之外的选择。在IEEE 802.16标准的多个版本和选项中做出唯一的选择,以保证不同厂商产品的互操作性。在802.16物理层的三个变体中,WiMAX选择了802.16-2004版的256 carrier OFDM,能够借由较宽的频带以及较远的传输距离,协助电信运营商与互联网服务提供商业者建置无线网上的最后一英里,与主要以短距离区域传输为目的之IEEE 802.11通信协议有着相当大的不同。

WiMAX能提供许多种应用服务,包括最后一英里无线宽带接入、热点、移动通信回程线路以及作为商业用途在企业间的高速连线。通过WiMAX一致性测试的产品都能够对彼此创建无线连接并发送互联网分组数据。在概念上类似WiFi,WiMAX传送速率更快,传送范围距离更大,简单理解为一种“大WiFi”。

WiMAX的升级版Wireless MAN-Advanced(IEEE 802.16m)是两个4G标准之一。

7、NFC(NFC(Near Field Communication)

NFC(Near Field Communication,近距离无线传输)是由Philips、NOKIA和Sony主推的一种类似于RFID(非接触式射频识别)的短距离无线通信技术标准。和RFID不同,NFC采用了双向的识别和连接。在20cm距离内工作于13.56MHz频率范围。NFC最初仅仅是遥控识别和网络技术的合并,但现在已发展成无线连接技术。它能快速自动地建立无线网络,为蜂窝设备、蓝牙设备、Wi-Fi设备提供一个“虚拟连接”,使电子设备可以在短距离范围进行通讯。NFC的短距离交互大大简化了整个认证识别过程,使电子设备间互相访问更直接、更安全和更清楚,不用再听到各种电子杂音。NFC通过在单一设备上组合所有的身份识别应用和服务,帮助解决记忆多个密码的麻烦,同时也保证了数据的安全保护。有了NFC,多个设备如数码相机、PDA、机顶盒、电脑、手机等之间的无线互连,彼此交换数据或服务都将有可能实现。此外NFC还可以将其它类型无线通讯(如Wi-Fi和蓝牙)“加速”,实现更快和更远距离的数据传输。每个电子设备都有自己的专用应用菜单,而NFC可以创建快速安全的连接,而无需在众多接口的菜单中进行选择。与知名的蓝牙等短距离无线通讯标准不同的是,NFC的作用距离进一步缩短且不像蓝牙那样需要有对应的加密设备。同样,构建Wi-Fi家族无线网络需要多台具有无线网卡的电脑、打印机和其它设备。除此之外,还得有一定技术的专业人员才能胜任这一工作。而NFC被置入接入点之后,只要将其中两个靠近就可以实现交流,比配置Wi-Fi连结容易得多。

NFC有三种应用类型:一是设备连接。除了无线局域网,NFC也可以简化蓝牙连接。比如,手提电脑用户如果想在机场上网,他只需要走近一个Wi-Fi热点即可实现。二是实时预定。比如,海报或展览信息背后贴有特定芯片,利用含NFC协议的手机或PDA,便能取得详细信息,或是立即联机使用信用卡进行票卷购买。而且,这些芯片无需独立的能源。三是移动商务。飞利浦Mifare技术支持了世界上几个大型交通系统及在银行业为客户提供Visa卡等各种服务。索尼的FeliCa非接触智能卡技术产品在香港及深圳、新加坡、日本的市场占有率非常高,主要应用在交通及金融机构。总而言之,这项新技术正在改写无线网络连接的游戏规则,但NFC的目标并非是完全取代蓝牙、Wi-Fi等其他无线技术,而是在不同的场合、不同的领域起到相互补充的作用。

8、RFID(Radio Frequency Identification)

射频识别(RFID)是 Radio Frequency Identification 的缩写。,是20世纪80年代发展起来的一种新兴的自动识别技术,射频识别技术是一项利用射频信号通过空间耦合(交变磁场或电磁场)实现无接触信息传递并通过所传递的信息达到识别目的的技术。

RFID是一种简单的无线系统,完整的RFID系统由读写器(Reader)、电子标签(Tag)和数据管理系统三部分组成。
RFID射频识别是一种非接触式的自动识别技术,它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据,识别工作无需人工干预,可工作于各种恶劣环境。RFID技术可识别高速运动物体并可同时识别多个标签,操作快捷方便。

其工作原理是,标签进入磁场后,接收读写器发出的射频信号,凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息(Passive Tag,无源标签或被动标签),或者由标签主动发送某一频率的信号(Active Tag,有源标签或主动标签),解读器读取信息并解码后,送至数据管理系统进行有关数据处理。

射频识别技术依据其标签的供电方式可分为三类,即无源RFID,有源RFID,与半有源RFID。

9、LiFi(Light Fidelity)

可见光无线通信又称“光保真技术”,英文名Light Fidelity(简称LiFi)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,由英国爱丁堡大学电子通信学院移动通信系主席、德国物理学家Harald Hass(哈拉尔德·哈斯)教授发明。

可见光无线通信技术是运用已铺设好的设备(无处不在的LED灯),通过在灯泡上植入一个微小的芯片形成类似于AP(WiFi热点)的设备,使终端随时能接入网络。该技术通过改变房间照明光线的闪烁频率进行数据传输,只要在室内开启电灯,无需WiFi也便可接入互联网。

可见光无线通信技术是用可见光来实现无线通信,即利用电信号控制发光二极管(LED)发出的肉眼看不到的高速闪烁信号来传输信息。

10、Thread

Thread是一种基于IP的无线网络协议,用来连接家里的智能产品。Thread Group成立于2014年7月15日,目的是协作、共享专长和开发满足这些需求的解决方案。成立一年后,Thread Group发布了Thread规范。该组织的创始成员包括SiliconLabs、Nest Labs、Yale Security、Samsung Electrics、Freescale Semiconductor、Big Ass Fans和ARM等。
Thread的关注低功耗和固有支持IP实现了“万物”和网络之间无缝互联的承诺。它不仅在低成本、电池供电的设备之间提供有效通信,也提供到云和移动设备的简单接口。Thread提供具有吸引力的全新无线网状网络解决方案,设计旨在满足下列家居互联需求:

基于标准的协议:开放基于标准的协议,实现跨厂商的互操作性和竞争性。Thread以目前的包括IEEE802.15.4在内的IEEE和IETF标准为基础。官方的Thread Specification已经在2015年7月13日由Thread Group发布。

简化的配置:Thread摒弃了一些之前网状网络标准的复杂性。只有两种不同的节点类型:RouterEligible和 End Device。

Router Eligible节点在需要支持网状网络时成为路由器。构建网络的第一个Router Eligible节点将自动的被指定为路由器并作为Leader。Leader执行额外的网络管理任务并代表网络做决定。网络中的其他Router Eligible节点也能够自动的担任Leader的角色,但是在一个时间内每一个网络中仅仅只能有一个Leader。

作为End Device加入的节点不支持任何路由功能。相反,它们把信息发送给指定为“父节点(parent)”的路由器,“父节点”代表它的“子节点(child)”执行路由操作。End Device通过父节点进行路由通信并且能够进入“Sleepy”状态来减少功耗。不能与它们的父节点通信的End Device在多次尝试后将自动扫描并连接到新的父节点。

11、Mesh

无线Mesh网络是一种新无线局域网类型。与传统WLAN不同的是,无线Mesh网络中的AP可以采用无线连接的方式进行互连,并且AP间可以建立多跳的无线链路。

无线mesh网络,由mesh routers(路由器)和mesh clients(客户端)组成,其中mesh routers构成骨干网络,并和有线的internet网相连接,负责为mesh clients提供多跳的无线internet连接。因此,无线Mesh网络也称为“多跳(multi-hop)”网络。

在传统的无线局域网(WLAN)中,每个客户端均通过一条与AP(Access Point)相连的无线链路来访问网络,形成一个局部的BSS(Basic Service Set)。用户如果要进行相互通信的话,必须首先访问一个固定的接入点(AP),这种网络结构被称为单跳网络。

而在无线Mesh网络中,任何无线设备节点都可以同时作为AP和路由器,网络中的每个节点都可以发送和接收信号,每个节点都可以与一个或者多个对等节点进行直接通信。

与传统的交换式网络相比,无线Mesh网络去掉了节点之间的布线需求,但仍具有分布式网络所提供的冗余机制和重新路由功能。

在无线Mesh网络里,如果要添加新的设备,只需要简单地接上电源就可以了,它可以自动进行自我配置,并确定最佳的多跳传输路径。添加或移动设备时,网络能够自动发现拓扑变化,并自动调整通信路由,以获取最有效的传输路径。
无线Mesh网络实施中涉及到的关键技术主要包括:多信道协商、信道分配、网络发现、路由转发、Mesh安全等等。

12、Z-Wave

Z-Wave是由丹麦Zensys公司主导的无线组网规格,Z-wave联盟(Z-wave Alliance)虽然没有ZigBee联盟强大,但是Z-wave联盟的成员均是已经在智能家居领域有现行产品的厂商,该联盟已经具有160多家国际知名公司,范围基本覆盖全球各个国家和地区。

Z-Wave是一种新兴的基于射频的、低成本的、低功耗的、高可靠性的网络短距离无线通信技术。专注于低速率应用,采用FSK(BFSK/GFSK)调制方式,有9.6Kbit/s和40Kbit/s两种传输速率,前者用来传输控制命令绰绰有余,而后者可以提供更为高级的网络安全机制。它的工作频段灵活,处于900MHz (ISM (Industrial Scientific Medical)频带)、868.42MHz(欧洲)、908.42MHz(美国),工作在这些频带上的设备相对较少,而ZigBee或蓝牙所使用的2.4GHz频带正变得日益拥挤,相互之间的干扰不可避免,因此Z-Wave技术更能保证通信的可靠性。Z-Wave信号的有效覆盖范围在室内为30m,室外可超过100m,适合窄带宽应用场景。

以上就是针对常见的一些无线通信技术的简单介绍,需要详细了解的可以参见相关规范。

文章转载自:硬件助手

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