从wi-fi和蓝牙,到wigig和wirelesshd,我们将在本文讨论现有和新兴无线通信技术的特点及其关键应用
作者:贸泽电子mark patrick
[引言]
无线通信已经深深根植于我们的生活、工作和娱乐的方式。无论你是在沙发上浏览网络,用你的非接触式卡支付购物费用,还是用你的智能手机上关闭电灯,我们大多数人都在使用这些无线技术,而很少去考虑它们。
然而,对于那些购买电子设备的人来说,其通信的方式却非常重要。例如,你购买的任何新设备都可能需要与已经拥有的其他系统集成(或与将来可能购买的系统集成)。如果一个设备使用与另一个完全不同的通信技术,那么这两个设备互相通信可能是一个非常大的挑战,甚至不可能。同样,某些设备也需要使用适合打算部署环境的通信技术。
这就是我们为什么把目前使用的主要无线通信技术(包括wi-fi、蓝牙、zigbee和z-wave)的应用指南放在一起讨论的原因。我们将探讨每种技术的关键特性,并介绍一些实际应用,以帮助你了解哪种技术适用于你的生态系统。我们还将关注一些新兴无线技术。
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[正文]
无线通信已经改变了我们在家里、工作场所以及其他地方使用电子设备的方式,促使这种改变发生的是各种无线技术。每种无线技术都有自己的作用范围、功耗和数据传输速度,这意味着不同的无线技术具有不同的优势,因而也适合于不同的应用,我们将介绍目前使用的一些重要无线技术,以及一些新兴的无线技术,并探讨它们的主要特点和典型应用。
wi-fi当有人提到无线通信时,首先想到的通常是wi-fi。目前,wi-fi技术几乎无处不在,它的工作原理是创建一个无线局域网(wlan),可以让计算机、电话、平板电脑、智能家电和其他电子设备连接到该局域网,所有这些连接的设备都可以通过一个中央接入点进行通信,该接入点通常还将wlan连接到互联网。wi-fi还可以在设备之间直接创建所谓的“临时”网络,而无需接入点。
wi-fi已经在业界存在了很长一段时间,自其首次推出以来这种技术已经有了很大的发展,已经具有更高的速度和更高的安全性。ieee标准802.11定义了硬件和通信协议,wi-fi联盟工作组制定了认证程序和互操作性测试。任何希望显示著名wi-fi徽标并采用这种技术的产品或系统必须遵循这些流程。
wi-fi工作在两个频段(2.4ghz和5ghz),它在室内的作用范围可以高达30米,但这往往会受到墙壁和其他障碍物的阻碍。工作在相同频段其他设备的干扰也可以影响其作用范围,例如蓝牙也工作在2.4 ghz频段,婴儿监视器等设备也是如此。
wi-fi的不同版本由最初定义的标准版本通过修改而确定。802.11b是第一个被广泛采用的标准,采用wi-fi的新设备都将向后兼容,因此802.11n设备既支持该版本标准,也支持以前的所有标准。
目前已有的wi-fi标准包括::
· 802.11b: 基本的 2.4 ghz标准
· 802.11a:最初的5ghz标准,能够提供更高的速度,但作用距离较短。
· 802.11g:802.11b的升级版本,由于数据编码方式的改变,速度提高了三倍。
· 802.11n:该版本提高了速度和范围(室内高达70米),使用2.4ghz和5ghz的多个天线,将信号指向目标设备。
· 802.11ac:通过采用更多的天线和新的编码方案,从而使5ghz频段的数据速率显著提高。
· 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:这种变体能够更有效地利用可用频谱,从而可以支持高达4倍的数据吞吐量和更高的设备密度。
产品设计师如果希望他们的设备通过wi-fi进行通信,可以购买现成的模块,其中包括所有必要的电路、天线和微控制器,以及处理通信的软件。通过选择经过制造商认证的模块,将wi-fi添加到产品中已经变得相当简单。
蓝牙除了wi-fi外,蓝牙也已经变得非常普遍。它最初的设计初衷是在彼此靠近的设备中替换有线连接,这就创建了一个通常被称为“无线个人局域网(wpan)”的网络。如前所述,蓝牙也使用2.4ghz频段,但最初的目标是那些比wi-fi距离更短和数据速率更低的应用。
最近,蓝牙的低功耗特性使其成为用于低功耗物联网(iot)设备的一种有吸引力的通信技术,这就是为什么最近标准的更新都集中于扩展其作用范围,并进一步降低其功耗。
一些受欢迎的蓝牙应用包括:
· 连接手机和无线耳机
· 将手机连接到车内音响系统,以便使用免提电话和音乐播放
· 将设备连接到可携带扩音器
· 将可穿戴健身追踪器和智能手表配对到手机或电脑
· 无线连接的电脑键盘和鼠标
· 设备之间的文件传输
随着可穿戴技术、电子医疗健康设备和更广泛的物联网技术的蓬勃发展,人们对蓝牙技术的需求将显著增加。根据abi的研究报告,2016年,蓝牙集成电路的年出货量约为16亿片,这一数字在2017年几乎翻了一倍,预计到2021年将达到50亿片。
蓝牙标准由蓝牙特别兴趣小组(sig)负责监管,该组织并负责标准的发展,以及所有设备必须完成的蓝牙认证过程(bluetooth qualification process)。sig拥有这些商标,意味着蓝牙名称和徽标只能显示在已成功完成资格认证的设备上。
关于蓝牙的一个有趣故事是,它是以丹麦国王哈拉尔德“蓝牙”戈姆森(harald “bluetooth” gormsson)的名字命名。他在第10世纪统治丹麦,把许多部落联合到一个单一的王国之下,类似于蓝牙将多个电子设备整合到一个单一生态系统。蓝牙标志是两个符文的组合,代表哈罗德国王的首字母。
zigbee和z-wave虽然蓝牙(特别是蓝牙低功耗)在家庭自动化等应用中越来越受欢迎,但它并不是这一领域使用的唯一无线技术。zigbee和z-wave是另外两种选项,它们都是为了低成本和低能耗而设计。其中z-wave是一个重要技术,因为某些环境中的一些传感器或控制器需要依靠非常小的电池运行数月甚至数年。
因此,zigbee和z-wave的作用距离和带宽往往局限在数十米,基本在视线范围内。然而,这两种技术都非常适用于只有少量数据间歇性传输的应用,如家庭报警系统、电灯开关、恒温器甚至工业控制系统等等。
zigbee是由zigbee联盟工业小组(zigbee alliance industry group)定义的开放标准,任何产品设计都需要通过该小组的验证测试。相反,z-wave是由silicon labs(mitsumi有时是第二个源供应商)拥有的专有技术。它的带宽较小,但作用距离比zigbee要远。总体而言,z-wave一般被认为能够更简单地实施,但不如zigbee灵活。
rfid和nfc论及无线通信领域的其他技术,rfid及其子集近场通信(nfc)在控制系统、产品跟踪和其他非接触式等应用中都是非常受欢迎的技术。
对于物流和库存控制,rfid标签是在生产线或仓库中跟踪物品位置的常用方法。这些标签类似于在商店里使用的贴在商品上的安全标签,当你付钱时,这些标签必须被取下或废掉。这项技术也可用于建立出入控制通行证、电子护照和支付系统。rfid系统由标签(存储数据)和读卡器组成。读卡器使用标签和读卡器环路天线之间的电磁感应访问标签上的数据。
rfid标签包括两种。主动标签包括有一个电池,它们能够产生自己的无线电信号,这意味着可以提供更大的作用范围,但缺点是成本高、寿命短。另一方面,被动标签从天线接收到的信号获取能量,这限制了它们的作用范围,但使标签更便宜。
与我们上面讨论的技术不同,rfid没有单一的标准。各种行业机构和国家组织已经创建了自己的,以及各种专有系统。更为复杂的是,不同的国家可能会使用不同的无线电频率,这意味着来自欧洲的标签在美国可能不起作用。此外,rfid标签通常只具备有限的安全性,当涉及到潜在跟踪佩戴或携带具有标签产品的人时,也存在隐私问题。
另一方面,nfc是由国际标准化组织(iso)和其他团体(如nfc论坛)定义和推广的标准。nfc能够增强支持rfid技术,以实现更灵活的设备间通信。在使用nfc时,设备既可以是读卡器,也可以是标签,这意味着可以进行双向和对等的通信。nfc还内置有更好的安全机制,因而可用于非接触式支付、访问控制和其他安全性至关重要的应用。
新兴无线技术尽管wi-fi和蓝牙等设备已经大大减少了我们生活中物理电缆的数量,但如果快速浏览一下你的家庭内部,无疑会发现还有很多剩余的电缆。包括wigig和wirelesshd在内许多新兴无线技术的目标是去除剩余的其中一些电缆,例如电视和游戏机之间的链接,这些连接中的低延迟非常重要。
这些新无线技术通过使用更高频率(60ghz)来实现比wi-fi更高的数据速率,由于其信号不能穿过墙壁或人,这些技术适用于在视线之内的设备之间运行,作用距离可达10米左右。如果使用wigig,在计算机之间复制1000张照片只需5秒钟时间,将两分钟的高清视频从相机复制到另一台设备只需3秒钟(相比之下,使用wi-fi则需60秒)。
wigig标准由wi-fi联盟管理,但不向后兼容,其目标是补充wi-fi,而不是取代它。同时,wirelesshd是一种专有技术,能够提供与wigig类似的作用范围和性能,也面向相同类型的应用。
设计师和采购师所面临的挑战上面谈到的只是两个新兴无线通信技术的例子,目前还不清楚哪一种(如果可能)会在其特定使用场景中会像wi-fi和蓝牙一样流行,这使得无线技术成为产品设计师和采购师一个极具挑战的领域。某项技术的一个特性可能非常适合于你的产品或服务,但如果所选择的技术不能在大众市场具有高的采纳度,这将使产品毫无价值。同样,当你购买新系统时,它们不太可能独立运行,因此,至关重要的是需要考虑与你现有或者将来可能使用系统之间的互操作性。