從wi-fi和藍(lán)牙,到wigig和wirelesshd,我們將在本文討論現(xiàn)有和新興無線通信技術(shù)的特點(diǎn)及其關(guān)鍵應(yīng)用
作者:貿(mào)澤電子mark patrick
[引言]
無線通信已經(jīng)深深根植于我們的生活、工作和娛樂的方式。無論你是在沙發(fā)上瀏覽網(wǎng)絡(luò),用你的非接觸式卡支付購(gòu)物費(fèi)用,還是用你的智能手機(jī)上關(guān)閉電燈,我們大多數(shù)人都在使用這些無線技術(shù),而很少去考慮它們。
然而,對(duì)于那些購(gòu)買電子設(shè)備的人來說,其通信的方式卻非常重要。例如,你購(gòu)買的任何新設(shè)備都可能需要與已經(jīng)擁有的其他系統(tǒng)集成(或與將來可能購(gòu)買的系統(tǒng)集成)。如果一個(gè)設(shè)備使用與另一個(gè)完全不同的通信技術(shù),那么這兩個(gè)設(shè)備互相通信可能是一個(gè)非常大的挑戰(zhàn),甚至不可能。同樣,某些設(shè)備也需要使用適合打算部署環(huán)境的通信技術(shù)。
這就是我們?yōu)槭裁窗涯壳笆褂玫闹饕獰o線通信技術(shù)(包括wi-fi、藍(lán)牙、zigbee和z-wave)的應(yīng)用指南放在一起討論的原因。我們將探討每種技術(shù)的關(guān)鍵特性,并介紹一些實(shí)際應(yīng)用,以幫助你了解哪種技術(shù)適用于你的生態(tài)系統(tǒng)。我們還將關(guān)注一些新興無線技術(shù)。
下載這篇文章以了解更多信息。
[正文]
無線通信已經(jīng)改變了我們?cè)诩依?、工作?chǎng)所以及其他地方使用電子設(shè)備的方式,促使這種改變發(fā)生的是各種無線技術(shù)。每種無線技術(shù)都有自己的作用范圍、功耗和數(shù)據(jù)傳輸速度,這意味著不同的無線技術(shù)具有不同的優(yōu)勢(shì),因而也適合于不同的應(yīng)用,我們將介紹目前使用的一些重要無線技術(shù),以及一些新興的無線技術(shù),并探討它們的主要特點(diǎn)和典型應(yīng)用。
wi-fi當(dāng)有人提到無線通信時(shí),首先想到的通常是wi-fi。目前,wi-fi技術(shù)幾乎無處不在,它的工作原理是創(chuàng)建一個(gè)無線局域網(wǎng)(wlan),可以讓計(jì)算機(jī)、電話、平板電腦、智能家電和其他電子設(shè)備連接到該局域網(wǎng),所有這些連接的設(shè)備都可以通過一個(gè)中央接入點(diǎn)進(jìn)行通信,該接入點(diǎn)通常還將wlan連接到互聯(lián)網(wǎng)。wi-fi還可以在設(shè)備之間直接創(chuàng)建所謂的“臨時(shí)”網(wǎng)絡(luò),而無需接入點(diǎn)。
wi-fi已經(jīng)在業(yè)界存在了很長(zhǎng)一段時(shí)間,自其首次推出以來這種技術(shù)已經(jīng)有了很大的發(fā)展,已經(jīng)具有更高的速度和更高的安全性。ieee標(biāo)準(zhǔn)802.11定義了硬件和通信協(xié)議,wi-fi聯(lián)盟工作組制定了認(rèn)證程序和互操作性測(cè)試。任何希望顯示著名wi-fi徽標(biāo)并采用這種技術(shù)的產(chǎn)品或系統(tǒng)必須遵循這些流程。
wi-fi工作在兩個(gè)頻段(2.4ghz和5ghz),它在室內(nèi)的作用范圍可以高達(dá)30米,但這往往會(huì)受到墻壁和其他障礙物的阻礙。工作在相同頻段其他設(shè)備的干擾也可以影響其作用范圍,例如藍(lán)牙也工作在2.4 ghz頻段,嬰兒監(jiān)視器等設(shè)備也是如此。
wi-fi的不同版本由最初定義的標(biāo)準(zhǔn)版本通過修改而確定。802.11b是第一個(gè)被廣泛采用的標(biāo)準(zhǔn),采用wi-fi的新設(shè)備都將向后兼容,因此802.11n設(shè)備既支持該版本標(biāo)準(zhǔn),也支持以前的所有標(biāo)準(zhǔn)。
目前已有的wi-fi標(biāo)準(zhǔn)包括::
· 802.11b: 基本的 2.4 ghz標(biāo)準(zhǔn)
· 802.11a:最初的5ghz標(biāo)準(zhǔn),能夠提供更高的速度,但作用距離較短。
· 802.11g:802.11b的升級(jí)版本,由于數(shù)據(jù)編碼方式的改變,速度提高了三倍。
· 802.11n:該版本提高了速度和范圍(室內(nèi)高達(dá)70米),使用2.4ghz和5ghz的多個(gè)天線,將信號(hào)指向目標(biāo)設(shè)備。
· 802.11ac:通過采用更多的天線和新的編碼方案,從而使5ghz頻段的數(shù)據(jù)速率顯著提高。
· 802.11ax: this variant makes more efficient use of the available spectrum, thereby creating possibilities for up to four-times greater data throughput and higher device densities.
· 802.11ax:這種變體能夠更有效地利用可用頻譜,從而可以支持高達(dá)4倍的數(shù)據(jù)吞吐量和更高的設(shè)備密度。
產(chǎn)品設(shè)計(jì)師如果希望他們的設(shè)備通過wi-fi進(jìn)行通信,可以購(gòu)買現(xiàn)成的模塊,其中包括所有必要的電路、天線和微控制器,以及處理通信的軟件。通過選擇經(jīng)過制造商認(rèn)證的模塊,將wi-fi添加到產(chǎn)品中已經(jīng)變得相當(dāng)簡(jiǎn)單。
藍(lán)牙除了wi-fi外,藍(lán)牙也已經(jīng)變得非常普遍。它最初的設(shè)計(jì)初衷是在彼此靠近的設(shè)備中替換有線連接,這就創(chuàng)建了一個(gè)通常被稱為“無線個(gè)人局域網(wǎng)(wpan)”的網(wǎng)絡(luò)。如前所述,藍(lán)牙也使用2.4ghz頻段,但最初的目標(biāo)是那些比wi-fi距離更短和數(shù)據(jù)速率更低的應(yīng)用。
最近,藍(lán)牙的低功耗特性使其成為用于低功耗物聯(lián)網(wǎng)(iot)設(shè)備的一種有吸引力的通信技術(shù),這就是為什么最近標(biāo)準(zhǔn)的更新都集中于擴(kuò)展其作用范圍,并進(jìn)一步降低其功耗。
一些受歡迎的藍(lán)牙應(yīng)用包括:
· 連接手機(jī)和無線耳機(jī)
· 將手機(jī)連接到車內(nèi)音響系統(tǒng),以便使用免提電話和音樂播放
· 將設(shè)備連接到可攜帶擴(kuò)音器
· 將可穿戴健身追蹤器和智能手表配對(duì)到手機(jī)或電腦
· 無線連接的電腦鍵盤和鼠標(biāo)
· 設(shè)備之間的文件傳輸
隨著可穿戴技術(shù)、電子醫(yī)療健康設(shè)備和更廣泛的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的蓬勃發(fā)展,人們對(duì)藍(lán)牙技術(shù)的需求將顯著增加。根據(jù)abi的研究報(bào)告,2016年,藍(lán)牙集成電路的年出貨量約為16億片,這一數(shù)字在2017年幾乎翻了一倍,預(yù)計(jì)到2021年將達(dá)到50億片。
藍(lán)牙標(biāo)準(zhǔn)由藍(lán)牙特別興趣小組(sig)負(fù)責(zé)監(jiān)管,該組織并負(fù)責(zé)標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展,以及所有設(shè)備必須完成的藍(lán)牙認(rèn)證過程(bluetooth qualification process)。sig擁有這些商標(biāo),意味著藍(lán)牙名稱和徽標(biāo)只能顯示在已成功完成資格認(rèn)證的設(shè)備上。
關(guān)于藍(lán)牙的一個(gè)有趣故事是,它是以丹麥國(guó)王哈拉爾德“藍(lán)牙”戈姆森(harald “bluetooth” gormsson)的名字命名。他在第10世紀(jì)統(tǒng)治丹麥,把許多部落聯(lián)合到一個(gè)單一的王國(guó)之下,類似于藍(lán)牙將多個(gè)電子設(shè)備整合到一個(gè)單一生態(tài)系統(tǒng)。藍(lán)牙標(biāo)志是兩個(gè)符文的組合,代表哈羅德國(guó)王的首字母。
zigbee和z-wave雖然藍(lán)牙(特別是藍(lán)牙低功耗)在家庭自動(dòng)化等應(yīng)用中越來越受歡迎,但它并不是這一領(lǐng)域使用的唯一無線技術(shù)。zigbee和z-wave是另外兩種選項(xiàng),它們都是為了低成本和低能耗而設(shè)計(jì)。其中z-wave是一個(gè)重要技術(shù),因?yàn)槟承┉h(huán)境中的一些傳感器或控制器需要依靠非常小的電池運(yùn)行數(shù)月甚至數(shù)年。
因此,zigbee和z-wave的作用距離和帶寬往往局限在數(shù)十米,基本在視線范圍內(nèi)。然而,這兩種技術(shù)都非常適用于只有少量數(shù)據(jù)間歇性傳輸?shù)膽?yīng)用,如家庭報(bào)警系統(tǒng)、電燈開關(guān)、恒溫器甚至工業(yè)控制系統(tǒng)等等。
zigbee是由zigbee聯(lián)盟工業(yè)小組(zigbee alliance industry group)定義的開放標(biāo)準(zhǔn),任何產(chǎn)品設(shè)計(jì)都需要通過該小組的驗(yàn)證測(cè)試。相反,z-wave是由silicon labs(mitsumi有時(shí)是第二個(gè)源供應(yīng)商)擁有的專有技術(shù)。它的帶寬較小,但作用距離比zigbee要遠(yuǎn)?？傮w而言,z-wave一般被認(rèn)為能夠更簡(jiǎn)單地實(shí)施,但不如zigbee靈活。
rfid和nfc論及無線通信領(lǐng)域的其他技術(shù),rfid及其子集近場(chǎng)通信(nfc)在控制系統(tǒng)、產(chǎn)品跟蹤和其他非接觸式等應(yīng)用中都是非常受歡迎的技術(shù)。
對(duì)于物流和庫(kù)存控制,rfid標(biāo)簽是在生產(chǎn)線或倉(cāng)庫(kù)中跟蹤物品位置的常用方法。這些標(biāo)簽類似于在商店里使用的貼在商品上的安全標(biāo)簽,當(dāng)你付錢時(shí),這些標(biāo)簽必須被取下或廢掉。這項(xiàng)技術(shù)也可用于建立出入控制通行證、電子護(hù)照和支付系統(tǒng)。rfid系統(tǒng)由標(biāo)簽(存儲(chǔ)數(shù)據(jù))和讀卡器組成。讀卡器使用標(biāo)簽和讀卡器環(huán)路天線之間的電磁感應(yīng)訪問標(biāo)簽上的數(shù)據(jù)。
rfid標(biāo)簽包括兩種。主動(dòng)標(biāo)簽包括有一個(gè)電池,它們能夠產(chǎn)生自己的無線電信號(hào),這意味著可以提供更大的作用范圍,但缺點(diǎn)是成本高、壽命短。另一方面,被動(dòng)標(biāo)簽從天線接收到的信號(hào)獲取能量,這限制了它們的作用范圍,但使標(biāo)簽更便宜。
與我們上面討論的技術(shù)不同,rfid沒有單一的標(biāo)準(zhǔn)。各種行業(yè)機(jī)構(gòu)和國(guó)家組織已經(jīng)創(chuàng)建了自己的,以及各種專有系統(tǒng)。更為復(fù)雜的是,不同的國(guó)家可能會(huì)使用不同的無線電頻率,這意味著來自歐洲的標(biāo)簽在美國(guó)可能不起作用。此外,rfid標(biāo)簽通常只具備有限的安全性,當(dāng)涉及到潛在跟蹤佩戴或攜帶具有標(biāo)簽產(chǎn)品的人時(shí),也存在隱私問題。
另一方面,nfc是由國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(iso)和其他團(tuán)體(如nfc論壇)定義和推廣的標(biāo)準(zhǔn)。nfc能夠增強(qiáng)支持rfid技術(shù),以實(shí)現(xiàn)更靈活的設(shè)備間通信。在使用nfc時(shí),設(shè)備既可以是讀卡器,也可以是標(biāo)簽,這意味著可以進(jìn)行雙向和對(duì)等的通信。nfc還內(nèi)置有更好的安全機(jī)制,因而可用于非接觸式支付、訪問控制和其他安全性至關(guān)重要的應(yīng)用。
新興無線技術(shù)盡管wi-fi和藍(lán)牙等設(shè)備已經(jīng)大大減少了我們生活中物理電纜的數(shù)量,但如果快速瀏覽一下你的家庭內(nèi)部,無疑會(huì)發(fā)現(xiàn)還有很多剩余的電纜。包括wigig和wirelesshd在內(nèi)許多新興無線技術(shù)的目標(biāo)是去除剩余的其中一些電纜,例如電視和游戲機(jī)之間的鏈接,這些連接中的低延遲非常重要。
這些新無線技術(shù)通過使用更高頻率(60ghz)來實(shí)現(xiàn)比wi-fi更高的數(shù)據(jù)速率,由于其信號(hào)不能穿過墻壁或人,這些技術(shù)適用于在視線之內(nèi)的設(shè)備之間運(yùn)行,作用距離可達(dá)10米左右。如果使用wigig,在計(jì)算機(jī)之間復(fù)制1000張照片只需5秒鐘時(shí)間,將兩分鐘的高清視頻從相機(jī)復(fù)制到另一臺(tái)設(shè)備只需3秒鐘(相比之下,使用wi-fi則需60秒)。
wigig標(biāo)準(zhǔn)由wi-fi聯(lián)盟管理,但不向后兼容,其目標(biāo)是補(bǔ)充wi-fi,而不是取代它。同時(shí),wirelesshd是一種專有技術(shù),能夠提供與wigig類似的作用范圍和性能,也面向相同類型的應(yīng)用。
設(shè)計(jì)師和采購(gòu)師所面臨的挑戰(zhàn)上面談到的只是兩個(gè)新興無線通信技術(shù)的例子,目前還不清楚哪一種(如果可能)會(huì)在其特定使用場(chǎng)景中會(huì)像wi-fi和藍(lán)牙一樣流行,這使得無線技術(shù)成為產(chǎn)品設(shè)計(jì)師和采購(gòu)師一個(gè)極具挑戰(zhàn)的領(lǐng)域。某項(xiàng)技術(shù)的一個(gè)特性可能非常適合于你的產(chǎn)品或服務(wù),但如果所選擇的技術(shù)不能在大眾市場(chǎng)具有高的采納度,這將使產(chǎn)品毫無價(jià)值。同樣,當(dāng)你購(gòu)買新系統(tǒng)時(shí),它們不太可能獨(dú)立運(yùn)行,因此,至關(guān)重要的是需要考慮與你現(xiàn)有或者將來可能使用系統(tǒng)之間的互操作性。

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