短距离 VS 长距离无线通信技术

无线通信技术因其为电子设备和网络带来的便利性和灵活性，以及无需昂贵的电缆和布线的安装，在市场上迅速发展。军事、工业、农业、家电以及许多其他行业都需要使用无线通信技术。每个行业因其用途和环境的不同，需要不同的技术特性。短距离无线通信技术和长距离无线通信技术各有特点。开发人员需要根据其应用选择不同的技术。在本文中，我们将深入探讨短距离无线通信技术和长距离无线通信技术之间的区别，并帮助您确定最适合您的无线技术和解决方案。

短距离无线通信技术

短距离无线通信技术是一种在极短距离内连接远程节点的网络协议。短距离无线通信可以最大限度地降低功耗、体积、发热量和成本。它还具有广泛的应用场景、技术和要求，使其成为商业楼宇自动化、高密度温室传感和住宅能源监控的理想解决方案。大多数短距离无线通信技术以小型低成本IC或完整的插件模块形式实现。我们将短距离无线通信技术定义为在本地交互范围内提供无线连接的系统，并将其分为几种类型以供您理解。

12种短距离无线通信技术

• 蓝牙
• 细胞的
• 免费无线网络
• Zigbee
• UWB
• IR
• IEEE
• ISM频段
• 近场通信
• RFID
• 6低通
• Z波

蓝牙

蓝牙是一种基于 IEEE 802.5.1 标准的短距离无线通信技术，其功耗低于 WiFi。蓝牙最初设计用于从个人电脑向鼠标、键盘、打印机、手机、耳机、个人数字助理等外围设备传输数据。对于这类应用，蓝牙被称为 WPAN（无线个人局域网）。蓝牙采用星型网络拓扑结构，允许最多七台设备的简单网络与单个接入点进行通信。

蓝牙工作在 2.4 Hz ISM 频段，采用 GFSK、差分 DQPSK 或 (8DPSK) 跳频扩频进行调制。GFSK 的总基本数据速率为 1mbits/s，DQPSK 为 2mbits/s，3DPSK 为 8mbits/s。此外，还有 3 个功率级别：0 dBm (1 mW)、4 dBm (2.5 mW) 和 20 dBm (100 mW)，这基本上决定了距离。标准距离约为 100 米，最大功率超过 XNUMX 米，并且路径畅通。

此 蓝牙信标 和 蓝牙模块 MOKOSMART 集成了 BLE 协议。BLE 是一种配置模块并记录来自已建立位置信标和电池供电无线传感器数据的简单方法。其通信范围不超过 300 英尺，而且功耗低，因此是物联网解决方案的理想辅助协议。

Wi-Fi

Wi-Fi 是一种基于 IEEE 802.11 系列标准的短距离无线通信技术。它通常用于 PC 笔记本电脑和台式电脑、智能电视、智能手机、无人机、智能音箱、打印机和汽车。Wi-Fi 频段的吸收率较高，最适合视距内使用。许多常见的障碍物，例如墙壁、家用电器等，可能会大大降低覆盖范围。然而，Wi-Fi 也有助于减少不同网络之间的干扰。

IEEE 802.11a 工作在 5GHz 频段，最大数据传输速率为 54Mbps。IEEE 802.11b 和 IEEE 802.11g 工作在 2.4GHz 频段，最大数据传输速率分别为 11Mbps 和 54Mbps。此外，WiFi 通信可用的无线频率范围有多个：900 MHz、2.4 GHz、5 GHz、5.9 GHz 和 60 GHz。每个频段又分为多个信道。每个国家/地区对允许使用的信道都有各自的规定。ISM 频段也被广泛使用。

Wi-Fi 嵌入式模块可与任何附近的基站互操作，其标准 Wi-Fi 覆盖范围高达 300 英尺，且吞吐量高。这部分抵消了 Wi-Fi 的额外配置复杂性以及高功耗协议带来的额外成本，使其成为将设备添加到现有网络的理想选择。只需确保您的准备计划包含充足的资源，以便长期管理多个身份验证设置即可。

Zigbee

ZigBee 是一种基于 IEEE 802.15.4 的短距离无线通信协议。它用于创建具有低功耗小型数字无线电的个人区域网络 (PAN)，这些网络比蓝牙或 Wi-Fi 等其他无线个人区域网络 (Wpan) 更经济实惠，可用于家庭自动化和医疗设备数据收集。其应用包括交通管理系统、无线灯开关、带家用显示器的电表以及其他需要短距离、低速率无线数据传输的设备。总而言之，ZigBee 是一种低功耗、低速率、近距离（即个人区域）无线网络。

该标准在 2.4 至 2.4835 GHz（全球）、902 至 928 MHz（美国和澳大利亚）以及 868 至 868.6 MHz（欧洲）的免授权 ISM 频段运行。16 个信道分配在 2.4 GHz 频段，间隔 5 MHz，但每个信道仅使用 2MHz 带宽。无线电采用直接序列扩频编码 (DSR)。数字流将调制信号传输到调制器。BPSK 调制在 868 和 915 MHz 频段运行，OQPSK 调制在 2.4 GHz 频段运行，每个符号传输 2 位。

2.4 GHz 频段的原始无线数据速率为每通道 250kbit/s，915 MHz 频段为每通道 40kbit/s，868 MHz 频段为每通道 20kbit/s。对于室内应用，2.4 GHz 的传输范围为 10-20 米。

UWB

超宽带（UWB）是由WiMedia联盟定义的一种短距离无线电通信技术标准。它能够在3.1～10.6GHz指定频段内，利用超低功耗、避免干扰的方式进行短距离、高带宽通信。最大通信距离约为十米，在大多数应用中，该范围不足几米。该频段被划分为多个528MHz宽的信道，数据速率范围从53Mbps到480Mbps。UWB主要为电视、相机、笔记本电脑等提供高速数据连接。近期的应用主要集中在传感器数据收集、跟踪应用和精准定位方面。与扩频不同，UWB的传输方式不会影响同一频段内传统的窄带和载波传输。

IR

红外无线采用低频、不可见光连接，而非无线电。主要波长范围为 850 至 940 μm。发射器采用红外发光二极管，接收器采用二极管光电探测器和放大器。光波通常用高频信号调制，然后对高频信号进行编码和调制以进行传输。

IrDA 是一项独立的数据传输标准。红外数据协会 (IrDA) 保留了其规范。速率范围从 9.6 kbit/s 到 115.2 kbit/s，包括 4 Mbps、16 Mbps、96 Mbps、512 Mbps 和 1 Gbit/s。5 Mbps 和 10 Gbit/s 速率的新标准正在开发中，传输距离不到一米。

红外线有几个关键优势。首先，由于它是光波而非无线电波，因此不易受到任何形式的无线电干扰。其次，红外线信号难以拦截或伪造，因此安全性极高。

红外光谱技术曾广泛应用于打印机、笔记本电脑和相机等设备，目前已被蓝牙、Wi-Fi等短距离无线通信技术大量取代。目前，射频遥控在消费类遥控器中仍较为常见。

IEEE 802.15.4

IEEE 802.15.4 旨在支持点对点链路和无线传感器网络。一些无线标准使用 802.15.4 标准作为 PHY/MAC 基础

该标准定义了3个基本频率范围。最常用的频段是全球通用的2.4 GHz ISM频段，基本数据速率为250kbits/s。另一个范围是美国的902-928 MHz ISM频段（10个信道），数据速率为40kbits/s或250kbits/s。

所有 3 个范围均采用 DSSS 和 BPSK 调制，或采用偏移 QPSK 调制。最小定义功率电平为 -3 dBm (0.5 mW)。0 dBm 是广泛使用的功率电平。20 dBm 电平适用于远程应用。其典型范围不超过 XNUMX 米。

IEEE 802.22

IEEE 802.22 标准，也称为无线区域网络 (WRAN) 标准，是最新的 IEEE 无线标准之一。它旨在用于未经许可的未使用的广播电视频道，称为“白色空间”。6 MHz 频道的频率范围为 470 MHz 至 698 MHz。然而，该标准尚未被广泛采用。白色空间无线电使用专有协议和无线标准。

802.22 无线电必须满足严格的要求，并能发现可能对电视台造成干扰的未使用信道。无线电使用频率灵活的电路来扫描未使用信道并侦听潜在的干扰信号。基站以辐射状与多个固定位置的用户通信，以获取互联网接入或其他服务。

该标准提供充足的频谱效率，可满足多用户信道的需求，下载速度高达 1.5 Mbit/s，上传速度高达 384 kbit/s。每 6MHz 信道的最大数据速率在 18 至 22 Mbit/s 之间。22 的最大优势在于它同时使用甚高频 (VHF) 和低超高频 (UHF) 频率，可以提供超长距离连接。其最大允许有效全向辐射功率 (EIRP) 为 4 W，基站覆盖范围可达 100 公里（近 60 英里）。

ISM乐队

最常用的 ISM 频段是 2.4 至 2.483 ghz，用于 Wi-Fi、无绳电话、蓝牙、802.15.4 无线电等。第二流行的频段是 902-928 mhz 频段。

其他广泛使用的 ISM 频率包括用于 RKE 应用和车库门开启的 315 MHz 以及用于远程温度监控的 433 MHz。其他不太常用的频率包括 13.56 MHz、27 MHz 和 72 MHz。

近场通信

近场通信 (NFC) 是一种超短距离无线通信技术，主要用于类似应用和安全支付交易。其最大连接距离约为 20 厘米，典型连接距离为 4 至 5 厘米。这种短距离提高了连接的安全性，并且经过加密。许多智能手机都具备 NFC 功能，其目标是实现一个 NFC 支付系统，让消费者可以用手机轻触支付。

NFC 使用 13.56 MHz 的 ISM 管理频率。在此较低频率下，发射环形天线和接收环形天线相互连接。传输是通过信号磁场而不是伴随的电场进行的。

NFC 也用于读取标签。无源标签将射频信号转换为直流电源，从而向处理器和内存提供特定于应用的信息。许多 NFC 收发器芯片可用于实现新的应用，并且存在多种标准。

射频识别

射频识别 (RFID) 主要用于识别、定位、跟踪和管理库存。附近的读取器发送高功率射频信号，为无源标签供电，然后读取存储在标签内存中的数据。

RFID标签 RFID 扁平、廉价、小巧，可粘贴在任何需要识别或监控的物体上。在某些应用中，它们甚至取代了条形码。RFID 采用 13.56 MHz 的 ISM 频率，但也使用其他频率，包括 125 kHz、134.5 kHz 以及 902-928 MHz 范围内的频率。目前存在各种 ISO/IEC 标准。

6 低通量泛光灯

6低通 指的是低功耗无线个人局域网 (PAN) 中的 IPv6 协议。该协议由 ITEF 开发，提供了一种通过低功耗无线网状网络和点对点链路传输 IPv4 和 IPv6 互联网协议的方法。RFC4944 还允许在最小的远程设备上实现物联网 (IoT)。该协议为 802.15.4 无线电提供了封装和报头压缩例程。

Z – 波

Z-wave 是一种短距离无线网状网络技术，最多可连接 232 个节点。其无线收发器在美国和加拿大使用 ISM 频段 (908.42 MHz)，但可根据国家/地区法规使用其他频率。调制模式为 GFSK。数据速率包括 9600 比特/秒和 40 比特/秒。在自由空间条件下，距离可达 30 米。但穿墙范围要短得多。Z-wave 主要应用领域包括恒温器、门锁、家庭自动化、照明、烟雾探测器、安防和其他家用电器。

UWB、WIFI、Zigbee、蓝牙的比较

短距离无线通信技术的典型应用

无线技术对于几乎所有新产品来说都是一个简单且低成本的附加功能，它还可以提高便利性、性能或营销效果。

家居用品

家用消费电子产品大多采用无线技术。几乎所有娱乐产品都配备红外遥控器。能源计量和配件监控器、远程温度计、无线恒温器和其他气象监测器、安防系统、车库门开启器、智能停车传感器等也都连接到无线网络。几乎每个家庭都拥有Wi-Fi连接。

Commercial / 商业

无线温湿度监测、照明控制和无线恒温器在商业应用中非常常见。一些视频监控摄像头使用无线技术替代同轴电缆。手机无线支付系统有望彻底改变商业模式。

行业

在工业领域，有线连接正逐渐被无线连接所取代。流量、湿度、温度和压力的远程监控是常见的应用。机器人、工业流程和机床的无线控制提升了便利性，并促进了工业环境的经济效益。M2M 技术为许多应用打开了大门，例如汽车定位 (GPS) 和自动售货机监控。物联网 (IoT) 大部分是无线的。射频识别技术使几乎任何物体的追踪和定位都变得更容易。

长距离无线通信技术

远程物联网无线技术构成了低功耗广域网 (LPWAN) 的基础。低功耗终端设备连接到网关，网关将数据传输到其他网络服务器和设备。网络设备评估接收到的数据并控制终端设备。因此，该协议专为低功耗设备、降低运营成本和远程功能而设计。许多 LPWAN 技术提供不同的性能、商业模式等，以满足不同应用的需求。工业园区监控、智慧城市项目、智慧城市项目以及远程采矿或钻探是常见的应用。

LoRaWAN

LoRaWAN 是由 SEMTECH 开发的 CSS（线性调频扩频）调制标准，工作频率为 900 MHz、868 MHz 和 400 MHz。LoRaWAN 解决方案提供针对无线通信网关和传感器的特定产品。它针对小型有效载荷和每个网关数千台设备进行了优化，可用于低延迟电源操作和低功耗电池操作。

LoRa通信对检测和干扰具有一定的弹性，不受多普勒偏差的影响，可以穿透障碍物。

LoRa 提供了多个可修改的参数，例如扩频因子，以调整范围和数据速率（0.3 KBPS~50 KBPS）之间的权衡。LoRa 是一种物理层技术，而 LoRaWAN[20] 是由 LoRa 联盟支持的用于 MAC 层和网络层的开放协议。LoRaWAN 描述了三种类型的设备。粗略地说，A 类是高度能耗受限的设备，B 类是中等能耗受限的设备，C 类是始终开启的设备。LoRaWAN 传感器功耗极低，在双向通信的情况下，视距可达 100 公里。典型的非视距应用可达 2 公里。网关连接多个设备，并通过云平台进行管理，以提供大规模可扩展性。

公用事业应用、库存跟踪、智能计量、汽车行业和自动售货监控都常用远程无线 LoRa 技术。

以下是LoRa的各项技术参数：

MOKOSMART 提供 LoRaWAN 模块、网关和端节点设备。如果您正在考虑部署 LoRaWAN 技术，那么我们的端到端解决方案可以成为您的选择。

西格福克斯

SigFox 是一种专为远程（农村地区 30-50 公里，城区 3-10 公里）、低数据速率（每条消息最多 12 字节）而设计的长距离无线通信技术。每台终端设备每天可发送 140 条消息，并且最好采用低功耗运行。SigFox 使用 sub-GHz 频段，并采用 BPSK 调制超窄带技术。使用 SigFox 技术的终端设备将数据传输到 SigFox 基站，基站再将数据转发到 SigFox 云服务器。数据在此进行处理。

SigFox 无需 SIM 卡。价格取决于短信数量和每日发送短信数量。位置监控、简单计量和基础报警系统属于单向系统的应用。信号会多次发送，以“确保”消息传递存在一些局限性，例如电池供电应用的电池续航时间较短，以及无法确保信号塔接收到消息。

以下是SigFox的各项技术参数：

LTE-M

3GPP 制定了 LTE 机器类型通信 (LTE-M) 标准。LTE-M 在授权的 Sub-GHz 频段传输数据，频率范围为 700 至 900 MHz。上行和下行数据速率约为 1Mbps。这种低功耗方法可以帮助将电池供电的终端设备的使用寿命延长 10 至 20 年。LTE-M 还利用现有的蜂窝无线基础设施，使其更加稳健和安全，以满足高质量要求的服务需求。

然而，LTE-M的一个缺点是使用授权蜂窝无线网络的成本较高。每个终端设备都需要单独的SIM卡，这会导致维护和安装成本以及运营费用的增加。此外，目前LTE-M的SIM卡业务相对复杂。

智能计量、智慧城市、智能建筑、互联健康和汽车运输是 LTE-M 的关键应用。

以下是LTE-M的技术参数：

窄带物联网（NB-IoT）

窄带物联网 (NB-IoT)，也称为 LTE Cat NB1，是 LTE 标准的另一个衍生产品。它基于窄带通信，使用 180 kHz 的带宽。因此，数据速率大大降低（下行链路约 250 KBPS，上行链路约 20 KBPS），这使得使用 NB-IoT 实现 FotA 更新变得困难。NB-IoT 可以使用 3 种不同的模式：保护带 LTE、独立模式和带内模式。带内模式使用 LTE 频段，保护频段使用 LTE 频段中未使用的部分，独立频段使用专用频段（例如 GSM 频段）。NB-IoT 不支持切换，对于移动物联网应用来说不值得考虑。

5G

5G是目前正在开发的移动网络技术的最新创新。5G旨在利用高频（例如60 GHz）和宽带[16]实现超高速通信。它的目标是提供非常高的数据速率（1-10 Gbps）。但对于能耗受限的物联网对象来说，这似乎并非最佳解决方案。此外，该技术目前尚未在测试实验室之外使用。目前，5G的目标有两个：大规模mMTC（大规模机器翻译通信）和利用超可靠低延迟通信（URLLC）的cMTC（大规模机器翻译通信）。除了eMTC和NB-IoT之外，目前还没有针对5G物联网的具体解决方案规划。

组合解决方案：短距离+长距离

长距离和短距离通信各有优缺点。因此，有时最佳解决方案是结合多种不同的连接类型。例如，在远程环境遥感应用中，最好使用 Zigbee 短距离无线通信技术，密集覆盖相对较小的区域（例如石油钻井平台），然后通过远程无线电将数据传回远程控制中心。在不太偏远的地方，如果您有手机，这或许也是一个不错的回程选择。同一网络还支持超短距离低功耗蓝牙 (BLE)，允许直接从本地智能手机配置传感器。结合多种协议，即可打造理想的物联网解决方案。

以下是功耗、协议和数据速率的概述。

无线应用选择列表

我们如何找到最佳解决方案？首先，必须考虑所有变量，包括：

• 范围：发射器到接收器的最大和最小距离是多少？距离是可变的还是固定的？
• 双工还是单工：应用程序是单向的还是双向的？只有某些远程控制应用程序和监控应用程序才需要单向路径。
• 节点数量：需要多少个发射器/接收器？在较简单的系统中，只需两个节点。如果涉及设备网络，则需要确定需要部署多少个发射器和接收器，并定义它们的相互作用。
• 数据速率：数据传输的速度是多少？监控用低速，还是视频传输用高速？最低速度有利于提高链路的抗噪能力和可靠性。
• 潜在干扰：附近是否有其他无线设备和系统？或者来自电力线、机械和其他干扰源的噪音。
• 环境：应用是在室内还是室外？如果在室外，是否有建筑物、车辆、树木等结构物构成障碍？如果在室内，是否有任何物体阻挡信号？
• 电源：是否有交流电源？如果没有，请使用电池。添加无线功能是否会显著增加应用的功耗？是否可以使用能量收集或太阳能？电池尺寸、寿命、充电要求、电池更换间隔以及相关成本也是重要的考虑因素。
• 监管问题：部分无线技术需要获得FCC许可。大多数短距离应用的无线技术无需许可。
• 尺寸和空间：无线电路有足够的空间吗？记住，所有无线设备都需要天线。虽然电路可以装入毫米级的芯片，但天线占用的空间更大。
• 许可费：某些无线技术可能要求用户加入组织或支付使用费才能使用该技术。
• 安全性：如果存在防范黑客攻击和其他滥用的安全问题，则可能需要加密和身份验证。
• 投资回报：该系统的成本是多少？投资回报是否能够覆盖您的成本？

无论您需要多远的无线电覆盖范围，MOKOSMART 都能助您一臂之力。如需了解更多信息，我们建议您查看物联网设备角色概述以及架构选择指南。

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