无线通信是两台或多台设备之间最受青睐的通信(连接)模式之一。借助这项技术,我们可以通过电磁波(比如射频、红外线和卫星)在空中进行数据通信, 而无须使用电缆和电线。

无线通信在电磁波谱的特定频率范围(从 3 Hz 至 3000 GHz (3 THz))内进行,该范围的电磁波称为无线电波。该技术被广泛应用于各种计算和通信业务中, 包括第三代到第五代 (3G/4G/5G) 移动设备、宽带接入、室内 WiFi 网络、车辆对车辆 (V2V) 系统、嵌入式传感器和无线射频识别 (RFID) 应用、微波无线电、 航空无线电、航海无线电,以及其他商业和私用无线电服

由于无线通信要求的动态变化,全球各地基于各种商业需求(如特定应用和传输距离等),开发和制定了多种不同的无线通信方法和标准。这些技术大致可以归入四个类别: 无线个人局域网 (WPAN)、无线局域网 (WLAN)、无线城域网 (WMAN) 和无线广域网 (WWAN)。顾名思义,这些解决方案的特性(包括传输距离和传输速率)专门针对个人、 局域、城域或全球的覆盖和使用而进行了优化。务

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RFID

RFID(射频识别)可以被定义为自动识别技术,它使用射频电磁场来识别靠近读取器的带标签物体。RFID 技术是在两个实体 (即读取器和标签)之间交换数据的一种简单方法。这种通信可以确定标签或带标签的元件中的信息,并且可以更容易地管理通信过程。

RFID 技术在许多环境领域得到了广泛应用,例如商业、医疗保健部门和制造业领域。RFID 可通过目标物体上安装的低成本简易天线来追踪和识别资产, 是一种理想的技术。它被用于从商店标签到车辆跟踪的一切识别用途,改善了供应链中的分布和可见性,并允许在安全情况下进行访问控制。

收音机必须调谐到不同频率才能听到不同频道,RFID 标签和读取器与此类似,必须调谐到相同频率才能进行通信。RFID 使用多种无线电频率, 而且标签类型繁多,所以具有不同的通信方式和电源。RFID 标签通常搭载带天线的电子芯片,以便将信息传递到询问器(也称为“基站”或通常称为“读取器”)。 该组件称为嵌入物,封装后能够适应操作环境。该成品称为标志、标签或应答器。

RFID 被视为非特定的短距离通信设备。它可以免许可使用频段。其通信范围从 1 到 12 米不等,速度为 640 kbps。RFID 必须符合当地法规(ETSI、FCC 等), 大多数国家已经为低频 RFID 系统分配了 125 - 134 kHz 频谱,在全球范围,高频 RFID 系统通常使用 13.56 Mhz 的频段。特高频 RFID 系统使用 433 和 860-960 MHz,2.45/5.8 GHz 则是超高频

NFC

近场通信 (NFC) 促进了短程通信无线技术在使用电磁波的兼容设备之间的应用。借助该技术,通过短程点对点进行保护的设备能够实现非接触式数据交换。 NFC 使用 13.56 Mhz 频率的低数据速率无线通信。基于 RFID 技术的 NFC 为识别协议提供了一种确认安全数据传输的媒介。它使用户能够通过接触或靠近设备, 执行非接触式交易、访问数字内容以及连接电子设备。基于 NFC 的标签嵌入到信用卡、智能手机和其他可穿戴设备中,并用于各种应用,如两部智能手机之间的数据交换、 非接触式支付、交通卡、停车存取管理、移动票务服务、医疗应用-患者跟踪到生物医学跟踪、资产标记应用等等。

该技术利用电感耦合在同一个磁场内的两个设备之间传输能量。当标签放置在读取器附近时,读取器的天线线圈场会与标签的天线线圈进行配对。标签中将产生电压, 该电压随后被整流并用于为标签的内部电路供电。 读取器调节磁场,使其数据与该标签进行通信。标签电路将改变线圈负载,将数据从标签返回给读取器, 即使读取器的未调制载波保持不变。由于相互耦合,读取器将检测到此情况。这种功能被称为负载调制。

安装 NFC 芯片的设备有两种: 启动器(无源)设备和目标设备(有源)。NFC 标签可以是有源的,也可以是无源的。 然而,NFC 读取器始终是有源设备。 这些设备可以采用有源-无源模式或有源-有源(对等式)模式。在有源-有源模式下,两个 NFC 设备都有独立的电源,而在有源-无源模式下, 无源设备从有源设备的电磁波中获取电源。NFC 的基本通信模式是半双工,即一个 NFC 设备发送数据,另一个设备接收数据。

NFC 的一个重要优势是,该技术适应现有的 RFID 基础设施、非接触式智能卡和 RFID 标签。采用 NFC 的设备包含两个组件:一个有源读取器和一 个无源应答器。它在接收数据的标签中读取和写入数据,并将其直接传输到另一个 NFC 设备。

蓝牙

蓝牙是一种无线通信标准,它基于专为便携式个人设备短距离连接而设计的无线电系统。它定义了一个整体通信栈,允许设备互相查找并告知它们提供的服务。 蓝牙技术广泛应用于 WPAN(无线个人局域网),即短距离无线网络技术。IEEE 802.15.1 标准规定了蓝牙设备的操作和架构, 但操作仅涉及物理层和媒体访问控制 (MAC) 层。蓝牙技术联盟 (Bluetooth SIG) 对协议层和应用层进行了标准化。蓝牙使用 FHSS 技术来访问信道,信号速率为 1Mb/s,调制方式是高斯频移键控 (GFSK) 式。

每一个使用蓝牙的设备都带有一个可以发送数据和语音信号的小芯片。在任何典型设置中,都是一个设备充当主设备,另外一个或多个设备充当从属设备。 此主设备利用链接管理器软件来识别其他蓝牙设备,并创建链接来接收和发送数据。蓝牙系统包括协议栈、收发器和基带,可以用少量设备创建一个紧凑型网络。 这些系统创建了一个大型的分布式网络,由无数独立的 Pico 网络和由互连微微网构成的集群(称为散射网)组成。一个简单的蓝牙系统包括天线、软件、 链路控制和链路管理。

蓝牙设备使用 2.4 GHz 频段,该频段是针对“工业、科学和医学”(ISM) 应用的免许可证无线电信号频段,能使相距不超过 100 米左右的设备之间建立通信。 蓝牙的主要优势是能够同时处理数据和语音的传输,有利于产生创新的解决方案,例如使用移动免提耳机进行语音通话,“打印至传真”功能以及自动同步 PDA、 笔记本电脑和手机通讯簿应用程序。

最流行的两个实现规范是蓝牙基本速率或增强数据速率 (BR/EDR)(验证版本为 2.0/2.1)以及低能耗蓝牙 (LE)(验证版本为 4.0/4.1/4.2/5.0)。 蓝牙 BR/EDR 建立了相对短距离、连续的无线连接。2-3Mbit 的 EDR 数据速率使其成为流媒体音频等用例的理想选择。BLE 可在短时间内建立远程无线电连接, 因此成为了物联网 (IoT) 应用的理想选择。蓝牙信标用于室内定位、活动感知和基于接近检测的应用。随着不同行业采用资产跟踪解决方案、制造企业、 三维三角定位系统等应用,BLE 的使用越来越受欢迎。

ZigBee

ZigBee 是 IEEE 802.15 下的全球通信标准协议。它的建立基础是针对低速率 WPAN 的 IEEE 标准 802.15.4 中定义的媒体访问控制和物理层。 这种无线网络标准旨在监测和控制需要 10-100 米范围内数据吞吐量水平相对较低,并有可能使用电池供电的远程传感器的应用程序。 低功耗至关重要。采用这种技术的传感器、照明控制、安全装置和多种应用适用于偏远地区和恶劣的无线电环境。ZDO(ZigBee Device Objects,ZigBee 设备对象)负责跟踪设备角色,管理网络加入请求、设备安全和发现。

该系统被指定在 2.4 GHz、915 MHz 和 868 MHz 三个免许可频段之一中运行, 2.4 Ghz 时最大数据速率为 250 kbps。在 915 MHz 频段, 该标准支持 40 kbps 的最大数据速率,而 868 MHz 频段支持最高 20 kbps 的数据传输。ZigBee 支持三种不同的网络拓扑,即星型、 网状和簇状或混合网络。ZigBee 协议优点众多,包括高可靠性、可扩展性和网状网络自愈能力。

ZigBee PRO 是 ZigBee 的一个版本,具有路由技术、网络跃点、最大设备数量、网络安全等更加强大的功能。ZigBee PRO 增强版本可以为某些应用提供附加功能,同时为那些不需要附加功能的应用保留较简单、低成本的堆栈,并保持较低的功耗。

ZigBee 技术简单、可靠且快速。ZigBee 网络可以生成自组织网络,并容纳多个设备。它可以创建多通道通信,广泛应用于 M2M 和物联网行业, 如智能电网和其他领域的遥感。 ZigBee PRO 是功能更出色的 ZigBee 版本,如路由技术、网络安全和网络跃点。采用增强型 ZigBee PRO 版本可以提供额外的应用功能。

WiFi

Wi-Fi(无线保真)是一个通用术语,涉及 WLAN 的 IEEE 802.11 通信标准。它利用无线电波提供基于 IEEE 802.11 标准的无线高速互联网和网络连接。Wi-Fi 是 Wi-Fi 联盟的商标,该联盟仅限那些成功完成互操作性认证测试的产品使用“认证 Wi-Fi”一词。

与标准无线技术相比,Wi-Fi 速度更快、安全性更佳且距离更长。这种局域无线技术允许电子设备使用 5 GHz SHF ISM 和 2.4 GHz UHF 无线电波段进行数据交换或联机。现在大多数电子设备都集成了 WiFi 接口,比如个人电脑、视频游戏控制器和智能手机等。 它们通过一个支持无线网络访问的点连接到网络资源(如互联网)。这些接入点(通常称为热点)在室内的范围约为 20 米, 在室外的范围更大。所有 WiFi 网络都是以竞争为中心的 TDD 系统,在此系统中,移动站和接入点争用同一频道。

无线信号是 WiFi 网络投入运用的关键。WiFi 接收器(例如手机和笔记本电脑)能够从 WiFi 天线接收这些无线电信号。 接收器配有 WiFi 卡。WiFi 卡读取这些信号,并在网络和用户之间建立互联网连接。

接入点(如路由器和天线)是传输和接收无线电波的主要来源。天线越强,无线电传输范围越大,其半径约为 300-500 英尺。 这些适用于户外环境。较弱但高效的路由器更适合室内使用,它的无线电传输为 100-150 英尺。WiFi 热点可以通过安装互联网连接接入点来创建。接入点作为基站。当检测到热点时,支持 WiFi 的设备将以无线方式连接到网络。

即使有更好的加密系统,安全性也是 WiFi 的主要问题。WiFi 中的加密是自愿的,且定义了不同的加密方法。当 WiFi 受保护访问 (WPA) 作为 802.11i 的一部分发起并通过固件升级实现时,WEP 将失去相关性。WPA 基本版本附带预共享密钥 (WPA-PSK)。 它供个人使用,因此 WPA 不需要身份验证服务器。WPA-Enterprise 必须使用远程认证拨号用户业务 (RADIUS (Remote Authentication Dial-in User Service, RADIUS) 服务器,并支持多种 EAP 扩展。

WPA2 是 2004 年批准的 802.11i 标准版本。它类似于 WPA,但 WPA2 支持是获得 WiFi 认证的产品所必需的。WPA3 是 WPA/WPA2 的增强版,个人和企业模式分别采用 128 位和 192 位加密。WPA3 增强了正向保密。

移动网络经历了多代的发展。许多用户在手机上通过单一频段进行通信。例如,蜂窝和无绳电话是使用无线信号的两种设备。通常, 移动电话利用较大范围的网络来提供信号覆盖。但是,无绳电话的信号范围有限。与 GPS 设备类似,有些电话利用卫星信号进行通信。

WWAN 是一种使用任何地方的蜂窝网络数据以及使用互联网实现的远程通信。WWAN 通过互联网服务提供商 (ISP) 运营的多个卫星系统或天线基站, 在多个城市或国家/地区等大片区域建立连接。这些系统称为 2G(二代)系统。这些网络要覆盖大片的地理区域,需要很高的部署成本。WWAN 包括 Long Term Evolution (LTE)、GSM、CDMA 2000、蜂窝数字分组数据 (CDPD) 和 Mobitex 等用来传输数据的移动电信蜂窝网络。

通用移动电信系统 (UMTS) 是第三代 (3G) 移动服务系统,旨在建立语音通信和高速数据连接,包括访问因特网、移动数据应用和多媒体内容。 高速下行分组接入 (HSDPA) 和高速上行分组接入 (HSUPA) 分别属于 3.5 和 3.75 代移动系统。HSDPA 的下行速率为 2Mbit/s,上行速率为 384kbit/s,HSUPA 允许上行方向以 1.45Mbit/s 的比特率发送数据。

4G 移动通信技术支持移动宽带互联网接入无线调制解调器、智能手机和其他移动系统。4G 系统提供增强的关键服务,如高清视频通话、更高的带宽 (Bw)、高数据吞吐量、更好的 QoS 和流媒体在线游戏服务。它有 40 Mhz 的 BW 容量,并设置了 100 Mbps 的峰值速度要求。

5G 是一种新兴的移动蜂窝技术,具有较高的数据速率和更出色的能源效率。 它支持虚拟现实环境、超高清音频/视频应用和 10 Gbps 的数据速度来增强移动云服务。5G 基于 CDMA (Code Division Multiple Access)、WWWW (World Wide Wireless Web) 和 BDMA (Beam Division Multiple Access) 等标准。它支持较大的双向带宽,数据速率大于 1.0 Gbps,通过无处不在的连接,可以提供 3 到 300 Ghz 的频谱。 云计算和互联网构成了核心的网络基础设施,可提供可靠且快速的通信服务、物联网、全息通信,可穿戴无线设备、 云计算、虚拟现实、先进的安全网上银行、移动全高清电视、远程医疗、全球漫游、超高清视讯、在线游戏服务等等。5G 借助 ML 辅助自动化提升数字体验。对缩短响应时间的需求(如自动驾驶汽车)推动 5G 网络通过 ML 推进自动化,也在更长的时间内则推动了 人工智能和深度学习 (DL) 的发展。

6G 无线通信网络预计将提供全球覆盖、安全性、增强的频谱/能源/成本效率以及更高的智能水平。为了满足这些需求,6G 网络将依赖于新的验证技术、 网络切片、云/雾/边缘计算和无单元结构。这可能会补充卫星和无人机 (UAV) 通信网络等非地面网络。这将形成一个太空-空中-地面-海洋综合通信网络, 包括亚 6 Ghz、毫米波 (mmWave)、太赫兹 (Thz) 和光学频段。

SigFox

Sigfox 是蜂窝式网络运营商,为低吞吐量物联网和 M2M 应用提供量身定制的解决方案。它使用超窄频 (UNB) 技术连接远程设备,并在免许可频段 (ISM) 运行。它使用称为“二进制相移键控”(BPSK) 的标准无线电传输方法。

这种低成本无线通信技术存在广泛的应用需求。它需要借助低廉的无线电端点和更复杂的基站来管理网络,主要用于数据速率较低的应用程序。 与诸如 GSM/CDMA 的传统蜂窝网络相比,它需要的天线数量明显更少。Sigfox 定制了一个轻量级协议来处理短消息。发送数据少意味着能源消耗少, 因此电池续航时间长。

借助超窄频带调制,Sigfox 可在免许可公共频段(868 - 869 MHz 和 902 - 928 MHz,具体取决于所在地区)200 kHz 带宽下交换无线电消息。 每条消息带宽为 100 Hz,根据地区的不同以 100 或 600 比特/秒的速率进行传输。因此可以实现长距离通信,同时抗噪性能优异。 设备和网络之间的传输并不同步。设备在 3 个不同频率(跳频)广播每条消息 3 次。基站监测频谱并搜寻 UNB 信号进行解调。

Sigfox 网络中的蜂窝密度是基于农村地区约 30-50 公里的平均范围,城市地区通常障碍物较多,噪音较大,范围可能被缩小至 3-10 公里。对于 SIGFOX 声明的视线消息可能传播 1000 公里以上的户外节点,通信距离可能大幅增加。

LoRa

LoRa 是一种无线技术,其开发目的为通过 M2M 和物联网应用中的传感器和执行器实现长距离的低数据速率通信。它利用工业、 科学和医学 (ISM) 频段中的免许可无线电频谱,来实现远程传感器与网络网关之间的低功耗广域通信。LoRa 使用了频带更宽的扩频技术。 其线性调频脉冲利用编码增益来提高接收器灵敏

LoRaWAN 是基于 LoRa 联盟开发的 LoRa 技术构建的开源 LPWAN(Low Power Wide Area Network,低功耗广域网)基础设施协议规范, 它允许其他公司根据其技术规范创建自己的 IoT 网络。这种基于标准的 LPWAN 构建方法可以使用双向安全、 可互操作的移动硬件和软件在任何地方快速建立公共或私有物联网,可以准确实现本地化并按照您期望的方式工作。

LoRa 网络经过布置可提供与蜂窝网络类似的覆盖范围。实际上许多 LoRa 运营商都是蜂窝网络运营商,他们能够使用现有的天线杆安装 LoRa 天线。在某些情况下,LoRa 天线可以与蜂窝天线组合起来,因为频率可能比较接近并且组合天线具有显著的成本优势。LoRa 的主要特点是覆盖范围长达 15-20 公里,可连接数百万个节点,其电池寿命长达 10 年以上。LoRa 无线技术的应用包括智能计量、 库存跟踪、自动售货机、数据和监控、汽车行业以及可能需要数据报告和控制的公用设施应用

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