短距離 VS 長距離無線通訊技術

無線通訊技術因其為電子設備和網路帶來的便利性和靈活性，以及無需昂貴的電纜和佈線的安裝，在市場上迅速發展。軍事、工業、農業、家電以及許多其他行業都需要使用無線通訊技術。每個行業因其用途和環境的不同，需要不同的技術特性。短距離無線通訊技術和長距離無線通訊技術各有其特性。開發人員需要根據其應用選擇不同的技術。在本文中，我們將深入探討短距離無線通訊技術和長距離無線通訊技術之間的區別，並協助您確定最適合您的無線技術和解決方案。

短距離無線通訊技術

短距離無線通訊技術是一種在極短距離內連接遠端節點的網路協定。短距離無線通訊可以最大限度地降低功耗、體積、發熱量和成本。它還具有廣泛的應用場景、技術和要求，使其成為商業建築自動化、高密度溫室感測和住宅能源監控的理想解決方案。大多數短距離無線通訊技術以小型低成本IC或完整的插件模組形式實現。我們將短距離無線通訊技術定義為在本地互動範圍內提供無線連接的系統，並將其分為幾種類型以供您理解。

12種短距離無線通訊技術

• 藍牙
• 細胞的
• 無線上網
• Zigbee
• UWB
• IR
• IEEE
• ISM頻段
• 近場通訊
• RFID技術
• 6低WPAN
• Z波

藍牙

藍牙是一種基於 IEEE 802.5.1 標準的短距離無線通訊技術，其功耗低於 WiFi。藍牙最初設計用於從個人電腦向滑鼠、鍵盤、印表機、手機、耳機、個人數位助理等周邊設備傳輸資料。對於這類應用，藍牙被稱為 WPAN（無線個人區域網路）。藍牙採用星型網路拓撲結構，允許最多七台裝置的簡單網路與單一存取點進行通訊。

藍牙工作在 2.4 Hz ISM 頻段，採用 GFSK、差分 DQPSK 或 (8DPSK) 跳頻擴頻進行調製。 GFSK 的總基本資料速率為 1mbits/s，DQPSK 為 2mbits/s，3DPSK 為 8mbits/s。此外，還有 3 個功率等級：0 dBm (1 mW)、4 dBm (2.5 mW) 和 20 dBm (100 mW)，這基本上決定了距離。標準距離約 100 米，最大功率超過 XNUMX 米，路徑暢通。

这 藍牙信標 以及 藍牙模塊 MOKOSMART 整合了 BLE 協定。 BLE 是一種配置模組並記錄來自已建立位置信標和電池供電無線感測器資料的簡單方法。其通訊範圍不超過 300 英尺，而且功耗低，因此是物聯網解決方案的理想輔助協定。

Wi-Fi

Wi-Fi 是一種基於 IEEE 802.11 系列標準的短距離無線通訊技術。它通常用於 PC 筆記型電腦和桌上型電腦、智慧電視、智慧型手機、無人機、智慧音箱、印表機和汽車。 Wi-Fi 頻段的吸收率較高，最適合在視距內使用。許多常見的障礙物，例如牆壁、家用電器等，可能會大幅降低覆蓋範圍。然而，Wi-Fi 也有助於減少不同網路之間的干擾。

IEEE 802.11a 工作在 5GHz 頻段，最大資料傳輸速率為 54Mbps。 IEEE 802.11b 和 IEEE 802.11g 工作在 2.4GHz 頻段，最大資料傳輸速率分別為 11Mbps 和 54Mbps。此外，WiFi 通訊可用的無線頻率範圍有多個：900 MHz、2.4 GHz、5 GHz、5.9 GHz 和 60 GHz。每個頻段又分為多個頻道。每個國家/地區對允許使用的頻道都有各自的規定。 ISM 頻段也被廣泛使用。

Wi-Fi 嵌入式模組可與任何附近的基地台互通，其標準 Wi-Fi 覆蓋範圍高達 300 英尺，且吞吐量高。這部分抵消了 Wi-Fi 的額外配置複雜性以及高功耗協定帶來的額外成本，使其成為將裝置添加到現有網路的理想選擇。只需確保您的準備計劃包含充足的資源，以便長期管理多個身份驗證設定即可。

Zigbee

ZigBee 是一種基於 IEEE 802.15.4 的短距離無線通訊協定。它用於創建具有低功耗小型數位無線電的個人區域網路 (PAN)，這些網路比藍牙或 Wi-Fi 等其他無線個人區域網路 (Wpan) 更經濟實惠，可用於家庭自動化和醫療設備資料收集。其應用包括交通管理系統、無線燈開關、帶有家用顯示器的電錶以及其他需要短距離、低速率無線資料傳輸的設備。總而言之，ZigBee 是一種低功耗、低速率、近距離（即個人區域）無線網路。

該標準在 2.4 至 2.4835 GHz（全球）、902 至 928 MHz（美國和澳洲）以及 868 至 868.6 MHz（歐洲）的免授權 ISM 頻段運作。 16 個頻道分配在 2.4 GHz 頻段，間隔 5 MHz，但每個頻道僅使用 2MHz 頻寬。無線電採用直接序列擴頻編碼 (DSR)。數位流將調製訊號傳輸到調製器。 BPSK 調變在 868 和 915 MHz 頻段運行，OQPSK 調變在 2.4 GHz 頻段運行，每個符號傳輸 2 位元。

2.4 GHz 頻段的原始無線資料速率為每聲道 250kbit/s，915 MHz 頻段為每聲道 40kbit/s，868 MHz 頻段為每聲道 20kbit/s。對於室內應用，2.4 GHz 的傳輸範圍為 10-20 公尺。

UWB

超寬頻（UWB）是由WiMedia聯盟定義的一種短距離無線電通訊技術標準。它能夠在3.1～10.6GHz指定頻段內，利用超低功耗、避免干擾的方式進行短距離、高頻寬通訊。最大通訊距離約為十米，在大多數應用中，該範圍不到幾米。此頻段被劃分為多個528MHz寬的頻道，資料速率範圍從53Mbps到480Mbps。 UWB主要為電視、相機、筆記型電腦等提供高速資料連線。近期的應用主要集中在感測器資料收集、追蹤應用和精準定位。與擴頻不同，UWB的傳輸方式不會影響同一頻段內傳統的窄頻和載波傳輸。

IR

紅外線無線採用低頻、不可見光連接，而非無線電。主要波長範圍為 850 至 940 μm。發射器採用紅外線發光二極體，接收器採用二極體光電探測器和放大器。光波通常以高頻訊號調製，然後對高頻訊號進行編碼和調製以進行傳輸。

IrDA 是一項獨立的資料傳輸標準。紅外線資料協會 (IrDA) 保留了其規範。速率範圍從 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 速率的新標準正在開發中，傳輸距離不到一公尺。

紅外線有幾個關鍵優勢。首先，由於它是光波而非無線電波，因此不易受到任何形式的無線電幹擾。其次，紅外線訊號難以攔截或偽造，因此安全性極高。

紅外線光譜技術曾廣泛應用於印表機、筆記型電腦和相機等設備，目前已被藍牙、Wi-Fi等短距離無線通訊技術大量取代。目前，射頻遙控在消費性遙控器中仍較為常見。

IEEE 802.15.4

IEEE 802.15.4 旨在支援點對點鏈路和無線感測器網路。一些無線標準使用 802.15.4 標準作為 PHY/MAC 基礎

此標準定義了3個基本頻率範圍。最常用的頻段是全球通用的2.4 GHz ISM頻段，基本資料速率為250kbits/s。另一個範圍是美國的902-928 MHz ISM頻段（10個頻道），資料速率為40kbits/s或250kbits/s。

所有 3 個範圍均採用 DSSS 和 BPSK 調製，或採用偏移 QPSK 調製。最小定義功率電平為 -3 dBm (0.5 mW)。 0 dBm 是廣泛使用的功率位準。 20 dBm 電平適用於遠端應用。其典型範圍不得超過 XNUMX 公尺。

IEEE 802.22

IEEE 802.22 標準，也稱為無線區域網路 (WRAN) 標準，是最新的 IEEE 無線標準之一。它旨在用於未經許可的未使用的廣播電視頻道，稱為“白色空間”。 6 MHz 頻道的頻率範圍為 470 MHz 至 698 MHz。然而，該標準尚未被廣泛採用。白色空間無線電使用專有協定和無線標準。

802.22 無線電必須滿足嚴格的要求，並能發現可能對電視台造成乾擾的未使用頻道。無線電使用頻率靈活的電路來掃描未使用頻道並偵聽潛在的干擾訊號。基地台以輻射狀與多個固定位置的使用者通信，以取得網路存取或其他服務。

此標準提供充足的頻譜效率，可滿足多用戶頻道的需求，下載速度高達 1.5 Mbit/s，上傳速度高達 384 kbit/s。每 6MHz 頻道的最大資料速率在 18 至 22 Mbit/s 之間。 22 的最大優點在於它同時使用甚高頻 (VHF) 和低超高頻 (UHF) 頻率，可以提供超長距離連接。其最大允許有效全向輻射功率 (EIRP) 為 4 W，基地台覆蓋範圍可達 100 公里（近 60 英里）。

ISM 頻段

最常用的 ISM 頻段是 2.4 至 2.483 ghz，用於 Wi-Fi、無線電話、藍牙、802.15.4 無線電等。第二流行的頻段是 902-928 mhz 頻段。

其他廣泛使用的 ISM 頻率包括用於 RKE 應用和車庫門開啟的 315 MHz 以及用於遠端溫度監控的 433 MHz。其他較不常用的頻率包括 13.56 MHz、27 MHz 和 72 MHz。

近場通訊

近場通訊 (NFC) 是一種超短距離無線通訊技術，主要用於類似應用和安全支付交易。其最大連接距離約為 20 厘米，典型連接距離為 4 至 5 厘米。這種短距離提高了連接的安全性，並且經過加密。許多智慧型手機都具備 NFC 功能，目標是實現 NFC 支付系統，讓消費者可以用手機輕觸支付。

NFC 使用 13.56 MHz 的 ISM 管理頻率。在此較低頻率下，發射環形天線和接收環形天線相互連接。傳輸是透過訊號磁場而不是伴隨的電場進行的。

NFC 也用於讀取標籤。被動標籤將射頻訊號轉換為直流電源，從而向處理器和記憶體提供特定於應用的資訊。許多 NFC 收發器晶片可用於實現新的應用，並且存在多種標準。

射頻識別

無線射頻識別 (RFID) 主要用於識別、定位、追蹤和管理庫存。附近的讀取器發送高功率射頻訊號，為被動標籤供電，然後讀取儲存在標籤記憶體中的資料。

RFID標籤 RFID 扁平、便宜、小巧，可貼在任何需要辨識或監控的物體上。在某些應用中，它們甚至取代了條碼。 RFID 採用 13.56 MHz 的 ISM 頻率，但也使用其他頻率，包括 125 kHz、134.5 kHz 以及 902-928 MHz 範圍內的頻率。目前存在各種 ISO/IEC 標準。

6 低通量泛光燈

6低WPAN 指的是低功耗無線個人區域網路 (PAN) 中的 IPv6 協定。該協定由 ITEF 開發，提供了一種透過低功耗無線網狀網路和點對點鏈路傳輸 IPv4 和 IPv6 網際網路協定的方法。 RFC4944 還允許在最小的遠端設備上實現物聯網 (IoT)。該協定為 802.15.4 無線電提供了封裝和報頭壓縮例程。

Z – 波

Z-wave 是一種短距離無線網狀網路技術，最多可連接 232 個節點。其無線收發器在美國和加拿大使用 ISM 頻段 (908.42 MHz)，但可根據國家法規使用其他頻率。調製模式為 GFSK。資料速率包括 9600 位元/秒和 40 位元/秒。在自由空間條件下，距離可達 30 公尺。但穿牆範圍短得多。 Z-wave 主要應用領域包括恆溫器、門鎖、家庭自動化、照明、煙霧偵測器、安防和其他家用電器。

UWB、WIFI、Zigbee、藍牙的比較

短距離無線通訊技術的典型應用

無線技術對於幾乎所有新產品來說都是一個簡單且低成本的附加功能，並且還可以提高便利性、性能或行銷效果。

家居用品

家用消費性電子產品多採用無線技術。幾乎所有娛樂產品都配備紅外線遙控器。能源計量和配件監控器、遠端溫度計、無線恆溫器和其他氣象監測器、安防系統、車庫門開啟器、智慧停車感應器等也都連接到無線網路。幾乎每個家庭都擁有Wi-Fi連線。

商業

無線溫濕度監測、照明控制和無線恆溫器在商業應用中非常常見。一些視訊監控攝影機使用無線技術取代同軸電纜。手機無線支付系統可望徹底改變商業模式。

行業

在工業領域，有線連接正逐漸被無線連接所取代。流量、濕度、溫度和壓力的遠端監控是常見的應用。機器人、工業流程和工具機的無線控制提升了便利性，並促進了工業環境的經濟效益。 M2M 技術為許多應用打開了大門，例如汽車定位 (GPS) 和自動販賣機監控。物聯網 (IoT) 大部分是無線的。射頻識別技術使幾乎任何物體的追蹤和定位都變得更容易。

長距離無線通訊技術

遠端物聯網無線技術構成了低功耗廣域網路 (LPWAN) 的基礎。低功耗終端設備連接到網關，網關將資料傳輸到其他網路伺服器和設備。網路設備評估接收到的資料並控制終端設備。因此，該協議專為低功耗設備、降低營運成本和遠端功能而設計。許多 LPWAN 技術提供不同的效能、商業模式等，以滿足不同應用的需求。工業園區監控、智慧城市專案、智慧城市專案以及遠端採礦或鑽探是常見的應用。

廣域網

廣域網 是由 SEMTECH 開發的 CSS（線性調頻擴頻）調變標準，工作頻率為 900 MHz、868 MHz 和 400 MHz。 LoRaWAN 解決方案提供針對無線通訊閘道和感測器的特定產品。它針對小型有效載荷和每個網關數千台設備進行了最佳化，可用於低延遲電源操作和低功耗電池操作。

LoRa通訊對偵測和乾擾具有一定的彈性，不受多普勒偏差的影響，可以穿透障礙物。

LoRa 提供了多個可修改的參數，例如擴頻因子，以調整範圍和資料速率（0.3 KBPS~50 KBPS）之間的權衡。 LoRa 是一種實體層技術，而 LoRaWAN[20] 是由 LoRa 聯盟支援的 MAC 層和網路層的開放協定。 LoRaWAN 描述了三種類型的設備。粗略地說，A 類是高度能耗受限的設備，B 類是中等能耗受限的設備，C 類是始終開啟的設備。 LoRaWAN 感測器功耗極低，在雙向通訊的情況下，視距可達 100 公里。典型的非視距應用可達 2 公里。網關連接多個設備，並透過雲端平台進行管理，以提供大規模可擴展性。

公用事業應用、庫存追蹤、智慧計量、汽車業和自動售貨監控都常用遠端無線 LoRa 技術。

以下是LoRa的各個技術參數：

MOKOSMART 提供 LoRaWAN 模組、閘道器和端節點設備。如果您正在考慮部署 LoRaWAN 技術，那麼我們的端到端解決方案可以成為您的選擇。

西格福克斯

SigFox 是一種專為遠端（農村地區 30-50 公里，城區 3-10 公里）、低數據速率（每條訊息最多 12 位元組）而設計的長距離無線通訊技術。每台終端設備每天可發送 140 則訊息，並且最好採用低功耗運作。 SigFox 使用 sub-GHz 頻段，並採用 BPSK 調變超窄頻技術。使用 SigFox 技術的終端設備將資料傳輸到 SigFox 基地台，而基地台再將資料轉送到 SigFox 雲端伺服器。數據在此進行處理。

SigFox 無需 SIM 卡。價格取決於簡訊數量和每日發送簡訊數量。位置監控、簡單計量和基礎警報系統屬於單向系統的應用。訊號會多次發送，以「確保」訊息傳遞存在一些局限性，例如電池供電應用的電池續航時間較短，以及無法確保訊號塔接收到訊息。

以下是SigFox的各項技術參數：

LTE-M

3GPP 制定了 LTE 機器類型通訊 (LTE-M) 標準。 LTE-M 在授權的 sub-GHz 頻段傳輸數據，頻率範圍為 700 至 900 MHz。上行和下行資料速率約為 1Mbps。這種低功耗方法可以幫助將電池供電的終端設備的使用壽命延長 10 至 20 年。 LTE-M 還利用現有的蜂窩無線基礎設施，使其更加穩健和安全，以滿足高品質需求的服務需求。

然而，LTE-M的一個缺點是使用授權蜂窩無線網路的成本較高。每個終端設備都需要單獨的SIM卡，這會導致維護和安裝成本以及營運費用的增加。此外，目前LTE-M的SIM卡業務相對複雜。

智慧計量、智慧城市、智慧建築、連網健康和汽車運輸是 LTE-M 的關鍵應用。

以下是LTE-M的技術參數：

窄頻物聯網（NB-IoT）

窄頻物聯網 (NB-IoT)，也稱為 LTE Cat NB1，是 LTE 標準的另一個衍生產品。它基於窄帶通信，使用 180 kHz 的頻寬。因此，資料速率大大降低（下行鏈路約 250 KBPS，上行鏈路約 20 KBPS），這使得使用 NB-IoT 實現 FotA 更新變得困難。 NB-IoT 可以使用 3 種不同的模式：保護帶 LTE、獨立模式和帶內模式。帶內模式使用 LTE 頻段，保護頻段使用 LTE 頻段中未使用的部分，獨立頻段使用專用頻段（例如 GSM 頻段）。 NB-IoT 不支援切換，對於行動物聯網應用來說不值得考慮。

5G

5G是目前正在開發的行動網路技術的最新創新。 5G旨在利用高頻（例如60 GHz）和寬頻[16]實現超高速通訊。它的目標是提供非常高的數據速率（1-10 Gbps）。但對於能耗受限的物聯網物件來說，這似乎並非最佳解決方案。此外，該技術目前尚未在測試實驗室之外使用。目前，5G的目標有兩個：大規模mMTC（大規模機器翻譯通訊）和利用超可靠低延遲通訊（URLLC）的cMTC（大規模機器翻譯通訊）。除了eMTC和NB-IoT之外，目前還沒有針對5G物聯網的具體解決方案規劃。

組合解決方案：短距離+長距離

長距離和短距離通訊各有優缺點。因此，有時最佳解決方案是結合多種不同的連接類型。例如，在遠端環境遙感應用中，最好使用 Zigbee 短距離無線通訊技術，密集覆蓋相對較小的區域（例如石油鑽井平台），然後透過遠端無線電將資料傳回遠端控制中心。在不太偏遠的地方，如果您有手機，這或許也是一個不錯的回程選擇。同一網路還支援超短距離低功耗藍牙 (BLE)，可直接從本地智慧型手機配置感測器。結合多種協議，即可打造理想的物聯網解決方案。

以下是功耗、協定和資料速率的概述。

無線應用選擇列表

我們如何找到最佳解決方案？首先，必須考慮所有變量，包括：

• 範圍：發射器到接收器的最大和最小距離是多少？距離是可變的還是固定的？
• 雙工還是單工：應用程式是單向的還是雙向的？只有某些遠端控制應用程式和監控應用程式才需要單向路徑。
• 節點數量：需要多少個發射器/接收器？在較簡單的系統中，只需兩個節點。如果涉及設備網絡，則需要確定需要部署多少個發射器和接收器，並定義它們的相互作用。
• 資料速率：資料傳輸的速度是多少？監視器用低速，還是視訊傳輸用高速？最低速度有利於提高連結的抗噪能力和可靠性。
• 潛在幹擾：附近是否有其他無線設備和系統？或來自電力線、機械和其他幹擾源的噪音。
• 環境：應用是在室內還是室外？若在室外，是否有建築物、車輛、樹木等結構物構成障礙？如果在室內，是否有任何物體阻擋訊號？
• 電源：是否有交流電源？如果沒有，請使用電池。添加無線功能是否會顯著增加應用的耗電量？是否可以使用能量收集或太陽能？電池尺寸、壽命、充電需求、電池更換間隔以及相關成本也是重要的考慮因素。
• 監理問題：部分無線技術需取得FCC授權。大多數短距離應用的無線技術無需許可。
• 尺寸與空間：無線電路有足夠的空間嗎？記住，所有無線設備都需要天線。雖然電路可以裝入毫米級的晶片，但天線佔用的空間更大。
• 許可費：某些無線技術可能要求使用者加入組織或支付使用費才能使用該技術。
• 安全性：如果存在防範駭客攻擊和其他濫用的安全問題，則可能需要加密和身份驗證。
• 投資回報：該系統的成本是多少？投資回報是否能夠涵蓋您的成本？

無論您需要多遠的無線電覆蓋範圍，MOKOSMART 都能助您一臂之力。如需了解更多信息，我們建議您查看物聯網設備角色概述以及架構選擇指南。

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