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常见的无线通信数据传输方法和技术

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11 月 7, 2023 #无线通信

近年来,物联网正以不可阻挡的趋势发展。 物联网无线通信技术是实现万物互联的重要环节。 它在传输速度和成本方面具有显着的特点。 无线通信是利用电磁波信号的特性在自由空间中传播来交换信息的一种通信形式。 物联网无线通信技术可分为短距离无线通信技术和远程无线通信技术。 近场通信技术包括Wi-Fi、蓝牙、ZigBee等。远距离通信技术以2G/3G/4G/5G、LPWAN(NB-IOT、eMTC、LoRa等)为代表。

1、短距离无线通信技术

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,且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)。 蓝牙、WiFi和ZigBee协议,原理上都是通过调制电磁波信号来传输数据,然后在另一端解调接收到的电磁波,实现无线数据传输。

(1)、紫蜂

1. 技术说明

Zig-Bee是一种基于IEEE802.15.4标准的低功耗、低成本、低数据速率、短距离自组织无线网络技术。 网络节点数量最大可达65000个。 工作在2.4GHz(全球流行)、868MHz(欧洲流行)和915 MHz(美国流行)3个频段,最高传输速率为250kbit/s、20kbit/s和40kbit/s其传输距离分别在10 -75m范围内,但可以继续增加。 ZigBee网络由协调器、路由器和终端设备三个设备组成,主要用于传感器和控制系统之间、各种电子设备之间的短距离、低功耗、低传输速率的双向通信,用于数据传输和周期性的典型应用。数据、间歇数据和低延迟数据传输。

与其他无线通信技术不同,ZigBee的网络拓扑主要包括星型网络和网状网络。 该网络具有自组织、自愈能力,可实现多级中继通信服务。 每个ZigBee网络节点不仅可以本身作为监控对象,例如与其连接的传感器可以直接采集和监控数据,还可以自动传输来自其他网络节点的数据。 此外,每个ZigBee网络节点(FFD)还可以无线连接到自身信号覆盖范围内的多个不承担网络信息传输任务的隔离子节点(RFD)。

Zig-Bee通信技术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,并可嵌入各种设备中。

2、优点

(1)距离短,通常的传输距离为10-100m;

(2)功耗低。 低功耗待机模式下,两节AA干电池可支持一台终端工作6-24个月,甚至更长时间;

(3)成本低,Zig-Bee免协议费,芯片价格便宜;

(4)低速率,Zig-Bee通常工作在20-250kbps的较低速率下;

(5)延迟短,Zig-Bee的响应速度更快;

(6)网络容量大,一个区域最多可同时存在100个ZigBee网络,一个Zigbee网络最多可容纳254个从设备和1个主设备,网络组成灵活;

(7)安全可靠,提供三级安全控制,采用AES加密,采用防碰撞策略,采用完全确认的数据传输方式,预留专用时隙。

3、缺点

(1)传输距离短:Zigbee的传输距离受环境和信道质量影响,通常在室内

室内环境的传输距离约为10-100米,而室外环境的传输距离可能更短。 这就限制了Zigbee在某些需要大面积覆盖的应用场景中的使用。

(2)传输速率有限:Zigbee的最大传输速率为250kbps,相对较低。 这使得它无法满足一些需要高速数据传输的应用场景。

(3)复杂的通信协议:Zigbee的通信协议相对复杂,需要深入了解协议栈和网络拓扑,才能开发稳定高效的应用。

(2)、蓝牙(Bluetooth)

1. 技术说明

蓝牙是一种无线技术标准,可以实现固定设备、移动设备和楼宇个人局域网之间的短距离数据交换。 属于扩频、跳频全双工信号,功耗低,组网简单,工作频段2.4GHz。 蓝牙可以连接多个设备,克服了数据同步的问题,可以实现半径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。

蓝牙技术可广泛应用于无线办公环境、汽车工业、信息家电、医疗设备、学校教育和工厂自动控制、局域网中的各种数据和语音设备,如PC、拨号网络、笔记本电脑、打印机、传真电脑、数码相机、手机以及高品质耳机等,实现各种设备之间随时随地的通讯。

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2、优点

(1)低功耗:蓝牙技术的功耗非常低,因此适合电池供电的设备,如蓝牙耳机、智能手表等;

(2)成本低:成本低,组网方便,无需使用线缆连接设备,用户可以随时随地在设备之间进行无线数据传输;

(3)安全性:蓝牙技术可以采用加密、认证等多种安全措施来保护用户数据和网络安全;

(4)兼容性好:蓝牙技术已经成为全球通信标准,几乎所有智能设备都支持蓝牙连接,因此无需担心设备兼容性问题。

3、缺点

(1)传输速度慢:蓝牙技术的传输速度比较慢,最高速度只能达到几十Mbps,无法满足大数据传输的需要;

(2)信号覆盖范围小:蓝牙技术的信号覆盖范围比较小,一般只能达到10米左右。 如果在较大范围内传输数据,可能需要增加中继设备,增加了设备和成本;

(3)干扰:蓝牙技术容易受到周围其他无线信号的干扰,例如WiFi信号和其他蓝牙设备的信号;

(4)连接限制:蓝牙的网络节点少,技术连接数量有限。 一般只能支持7个左右连接,无法满足大量设备连接的需要,也不适合复杂的网络控制;

(5)兼容性问题:虽然蓝牙技术已经成为全球通信标准,但不同的设备对蓝牙的支持程度不同,有些设备可能无法正常连接蓝牙。

(3)无线宽带(Wi-Fi)

1. 技术说明

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,允许具有WiFi功能的设备连接到无线局域网(WLAN),工作在2.4G和5G频段。 传输距离100~300M,速率可达300Mbps,功耗10-50mA。 流行的802.11n速度可以达到300Mbps,而工作在5GHz ISM频段的较新的802.11ac甚至可以超过1.3Gbps。 理论上,用户位于接入点周围的一定区域内,但如果被墙壁阻挡,建筑物内部的有效传输距离将小于外部。

WiFi技术主要应用于SOHO、商场、机场、家庭无线网络、机场、酒店、其他公共热点等建筑物和不方便安装电缆的场所,节省大量电缆敷设成本。

2、优点

(1)速度高:传输速率比较快,一般达到几十、几百兆,甚至达到1Gbps。 其传输速度可达11mbps(802.11b)或54mbps(802.11.a),适合高速数据和大数据传输业务;

(2)共享:一个WiFi网络可以支持多个设备同时连接,实现多人共享网络的需要;

(3)成本低:通信模块成本低,施工方便,与各种设备连接方便,实用性好,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;

(4)兼容性好:WiFi技术已经成为全球通信标准,几乎所有智能设备都支持WiFi连接,无需担心设备兼容性问题;

(5)覆盖范围广:局域网覆盖范围更广,其覆盖半径可达100米左右,与蓝牙技术相比,Wi-Fi覆盖范围更广。

3、缺点

(1)覆盖范围限制:WiFi技术的信号覆盖范围有限,且受建筑物等物理障碍物的影响较为明显,导致信号覆盖不稳定,不适合复杂的网络;

(2)功耗较大,不适合电池供电;

(3)安全性也比较差,容易被攻破(尤其是公共wifi),而且由于使用的共享频段容易受到干扰(2.4G和5G),导致网络不稳定,容易造成网络瘫痪麻痹。

(4) 性能比较

传输距离:

WIFI > ZigBee > 蓝牙

能量消耗:

WIFI > 蓝牙 > ZigBee,后两者仅靠电池供电就足够了。

传输速率:

WIFI > 蓝牙 > ZigBee

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2、远距离无线传输技术

不同协议支持的电磁波频率有一定差异。 蓝牙、WiFi和ZigBee协议都可以工作在2.4GHz ISM频段。 在射频性能方面,会受到2.4G信号物理特性的限制。 例如,在相同功率下,衍射性能并不比较低频率的电磁波(例如433MHz)更好。 因此,在应用中,如果追求更长的通信距离,应使用频率稍低的无线模块。 如果对传输速率有要求,应该选择2.4G甚至5.8GHz的产品。

(1) GPRS/CDMA无线通信技术

GPRS(通用分组无线业务)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,在实际发送和接收时仅使用无线资源。 GPRS是一种基于分组的交换方法,利用GSM基础设施将传输速度从9.6 kbit/s提高到100 kbit/s以上。 它是介于第二代GSM和第三代WCDMA系统之间的技术,通常称为2.5G。 它是利用分组交换概念开发的一种无线传输方法。 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。 通用分组无线业务(General Packet Radio Service)利用GSM基础设施提供速率高达100kbit/s的分组数据服务的移动蜂窝接入技术。 通用分组无线服务(GPRS)仅将无线资源用于实际的传输和接收。 GPRS基于分组交换方式,将传输速度从9.6kbit/s提高到100kbit/s以上。 GPRS是第二代GSM(全球移动通信系统)系统向第三代WCDMA系统过渡的必由之路,因此也被称为“2.5代技术”。

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。 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。

GPRS无线数据传输。 GPRS模块,传输距离不受限制,传输数据量大,安全稳定,通常用于远程数据采集和传输。

(2)4G通信技术

4G通信技术是第四代移动信息系统,其中正交频分复用(OFDM)技术最为引人注目。 借助这项技术,人们可以实现无线本地环路(WLL)、数字音频广播(DAB)等4G通信技术在智能通信设备中的应用,让用户能够更快地上网,速度可以高达100Mbps。 对于工业应用,4G通信具有信号覆盖范围广、速度快的特点; 但其成本、功耗和运营费用较高,不适合小型传感器,一般用于较大的集中器或智能终端设备。

4G具有四大关键优势:高速数据速率、宽带传输、支持无线即时通讯、技术成熟、兼容性高。

(1)传输速率高:目前4G无线传输速度可达100Mbps;

(2)带宽优势明显:通信速度对带宽的要求非常高。 基于3G通信网络,进行实质性改造。 每个4G信道将占用100MHz的频谱,相当于3G通信网络的20倍以上;

(3)无线即时通讯:4G信息传输种类较多,包括图片、音频、视频等,可以实时体验;

(4)兼容性更好:4G技术已经商用数年,其成熟度和稳定性几乎可以与任何网络互联。 大多数类型的终端设备都可以连接到4G通信网络。

(3)、洛拉

LoRa是美国Semtech公司开发的基于扩频技术的超远距离无线传输解决方案。 是目前低功耗广域网中最具代表性的通信技术之一。 我们在市场上看到的LoRa模块都是Semtech公司开发的。 基于该公司的LoRa芯片开发。

1、传输距离:传输距离是衡量无线模块最重要的参数。 在相同功率下,LoRa模块的传输距离比其他无线模块要远得多。 在相同测量环境条件下,LoRa传输距离为5公里。 大约几百米,而普通WiFi蓝牙无线模块的传输距离只有几百米。

2、功耗:功耗也是衡量无线模块最重要的参数之一。 功耗越低,项目工期越长。 LoRa模块在低功耗方面无疑是优秀的,在兼顾低功耗的同时,还能保证模块的超长距离传输。

3、灵敏度:LoRa无线模块的lora调制技术对信号进行独特的扩频功能。 在相同数据速率条件下,其扩频调制方式可以获得比传统GFSK、FSK等调制方式高8-10dB的效果。 灵敏度。

4、抗干扰能力:lora模块采用的LoRa调制方式,这种调制方式具有优秀的扩频调制和前向纠错技术,甚至可以从噪声中区分并提取数据; 与传统的FSK、GFSK等调制方式相比,具有更强的抗干扰能力。

5、在保持低功耗的同时,增加通信距离和网络效率; 在相同发射功率下,比传统无线射频扩大通信距离3-5倍。 LoRa通信具有成本低、通信距离远、网络部署灵活等特点。 但需要考虑通信速度慢、需要自建网络等问题;

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(4)、NB物联网

窄带物联网(NB-IoT)是物联网(IoT)领域的一项新兴技术,支持广域网中低功耗设备的蜂窝数据连接,也称为低功耗广域网(LPWAN) )。

NB-IoT 是一种基于蜂窝的窄带物联网。 它是3GPP LTE Release 13中的新网络协议,与现有LTE网络兼容。 它是 GSM 网络的替代方案之一。 未来还可以进一步升级以满足5G需求,成为5G的一部分。 当同步通信要求比较高的时候比较适合。 延迟短、传输数据量大的优点使其能够频繁地通信。 也就是说,因为适合这种频繁通信的场合,所以不具备低功耗的优势,而且节点成本也比较高。

(1) 广/深覆盖:比GPRS覆盖强20dB+

技术点一:上行功率谱密度增强17dB

技术点2:重复+编码6~16dB 注:GSM终端发射功率最大可达33dBm

(2)低功耗:基于AA电池,使用寿命可达10年以上

(3)成本低:终端芯片低至1美元

关键技术1:180kHz窄带系统,基带复杂度低

关键技术2:低采样率、小缓存Flash/RAM要求(28 kByte)

关键技术3:单天线、半双工、射频成本低

关键技术4:峰均比低,功放效率高,23dBm发射功率可支持单芯片SoC内置功放PA,进一步降低成本

关键技术5:简化协议栈(500kByte),减少片上FLASH/RAM

(4) 大连接:独特的海量连接系统设计,50k+用户容量*/200kHz小区流量模型

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(5) 性能比较

1. 网关区别

NB-IoT、LORA、WIFI、蓝牙、zigbee、4G都是物理层,都需要芯片模块支持(sim卡等硬件支持)

无需网关:NB-IoT、4G(芯片可直连移动、联通、电信运营商)

所需网关:LORA、WIFI、zigbee(无法直接连接电信运营商,需要通过网关转接连接电信运营商)

蓝牙很特别。 它是两个蓝牙设备之间的互连。

2. NB-IoT与4G的区别

NB-IoT:功耗低、数据传输量小、传输速度低、芯片模组和封装便宜

4G:传输速度快、数据传输量大,但功耗高、价格昂贵

3. NB-IoT与Lora的区别

(1)技术特点不同:

NB-IoT是一种基于蜂窝技术的广域网通信技术。 像我们的2G、4G一样,需要经过电信运营商(电信、移动、联通)的基站网络才可以正常使用。 不过,NB-iot不需要联网。 它直接与云平台通信,可以作为单独的网络使用。

Lora是一种基于线性调频扩频调制技术的短距离局域网无线通信技术。 与传统的ASK、FSK、Zigbee等一样,需要先组网,然后通过网关传输到云平台。 Lora产品很少单独使用,一般与网关配合使用。

(2)工作频段不同

NB-IoT 在授权频段运行。 所谓授权频段就是官方认可并授权使用的频段。 它工作于电信网络的技术,因此NB-IoT通信需要安装SIM卡,而NB-IoT的使用需要移动基站的支持。 这就是NB-IoT网络。 不同的电信公司有不同的通信频率,需要不同的SIM卡。

LoRa工作在非授权频段,其主要推动者是非官方互联网公司。 不需要基站,无需申请即可建网。 网络架构简单,运营成本低。 企业可自主掌控网络质量,快速优化补充网络覆盖; 他们还可以独立运营,将运营数据掌握在自己手中,并根据业务需求扩展网络,具有相对的自由度。

(3)成本不同

BOM成本:NB-IOT与LORA比较接近。 随着市场竞争的不断,目前NB-Iot模块的价格在15-25元。 Lora模块的成本约为15-30元。

运营成本:由于NB-IoT基于电信网络,因此可以根据通信基站本身进行改造,网络建设工作量不大。 设备需要安装SIM卡,运营商可以控制NB-IoT数据通道并对其进行计费。 每个基站最低投资资金为1.5万美元,运营成本较高。

LoRa是企业独立建设的网络。 LoRa网络部署无需依赖运营商即可完成。 无需向运营商支付费用。 不仅部署速度更快,而且成本更低。 与ASK、FSK一样,以后不再收取额外费用。

(4)服务质量不尽相同

与NB-loT相比,LoRa技术在处理干扰、网络重叠、可扩展性等方面具有独特的特点,抗干扰能力强,可以实现多通道数据的并行处理,但无法提供与NB-loT相同的优势。很多。 该技术只能应用于对服务质量要求比较低的场景,并且该技术不能对服务质量要求很高。 如果想要获得更高的服务质量,就需要投入更多的资源。 在NB-1oT技术中,授权频段和同步协议可以为服务质量奠定基础,提供更好的用户体验。

(5)电池寿命不一样

对于LoRa WAN协议来说,可以根据实际应用场景合理调整节点的通信频率,有效降低运行能耗。 蜜蜂电流和休眠电流都比较小,有效延长电池的使用寿命。

同步协议(例如蜂窝)的节点必须定期联网。 蜂窝调制需要线性发射器来生成调制信号,而线性发射器需要比非线性调制多几个数量级的峰值电流。 峰值电流越高。 会消耗更多的电池电量。 例如,目前市面上的手机在工作时必须每隔1.5s与网络同步一次。 在 NB-IoT 中,这种同步进行的次数较少,但仍然是周期性的,这会消耗额外的电池电量。

(6)应用不同:

NB-iot适用于独立联网的传感器,如地磁、智慧路灯、水表等。

Lora适用于局域网组网,如智能家居、安防报警、通过网关和云平台进行通信等。

(7) 覆盖范围不同

在网络覆盖范围上,NB-IoT的覆盖范围更大。 在密度较低的郊区,使用LoRa技术,传输距离只能达到15公里,而在建筑密集的城市环境中可以覆盖2公里左右。 采用NB-IoT技术,传输距离可达35公里,是前者的两倍多。

然而,LoRa在部署方面优于NB-IoT。 部署NB-IoT时,信号强度取决于4G/ITE情况。 在偏远地区或封闭区域的室内、地下环境中,无法部署NB-IoT网络,导致NB-IoT信号差而无法工作。

综上所述,在物联网市场中,Lora和NB-Iot都是低功耗物联网无线通信,并且都支持低功耗和电池运行。 两者没有谁更好,只是应用场景不同。 对于LoRa技术来说,可以有效地应用于网络部署,而NB-loT技术则具有较高的服务质量,值得在公共网络中推广和使用。 对于需要频繁通信、短时延或大量数据的应用,以及需要较低成本、较长电池寿命和不频繁通信的场景,NB-IoT 可能是更好的选择。 洛拉更好。 而且,Lora和NB-IoT在不同的工作环境下可以互补。 在NBIOT网络较差的偏远地区,我们可以选择Lora局域网传输,然后通过WIFI或4G发送到平台。

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