无线网络通讯原理_有线通信和无线通信的原理 - CSDN
  • LoRa无线通信设计(一)原理 引言 1901年,古列尔默.马可尼把长波无线电信号从Cornwall(康沃尔,位于英国的西南部)跨过大西洋传送到3200公里之外的Newfoundland(加拿大的纽芬兰岛),至此人类进入了无线通信时代。...

                                      LoRa无线通信设计(一)原理

    引言

    1901年,古列尔默.马可尼把长波无线电信号从Cornwall(康沃尔,位于英国的西南部)跨过大西洋传送到3200公里之外的Newfoundland(加拿大的纽芬兰岛),至此人类进入了无线通信时代。100多年来,无线技术的发展为人类带来了无线电、电视、移动电话和通信卫星。近20年,最让人们深刻感受的是移动通信,手机几乎成为人们的一个器官,用它便捷接入Internet。

    无线通信具有一些天生优势:投入成本低,扩展灵活性大,跨越空间阻碍。我们推测以下将成为未来的趋势:

    l 市电供电的设备(电视机、音响等)采用诸如UWB之类的高速短距离无线,

    l 电池供电的设备(能耗表计,自行车等)将会采用微功率无线,

    l 手持设备(手机,平板电脑等)继续使用4G/5G的移动通信技术。

    更大胆的推测是,随着生物识别技术、大容量储能和柔性屏幕材料突破,显示和通信将会无处不在,手机可以会消失,付款按指纹即可。

    是时候,让我们一起揭开无线通信的神秘面纱,了解下原理,接触一个即将来临身边的微功率无线通信。

    一、      无线通信原理

    在通信系统中,我们需要弄清模拟和数字的关系:一个模拟信号就是一个连续变化的电磁波,一个数字信号是一个电压脉冲序列。看一个实例,下图选自经典教材《无线通信与网络(第二版)》,电话通信是典型的模拟数据(声波)通过模拟信号传输;家庭宽带拔号上网是典型的数字数据(计算机只能处理数字信号)通过模拟信号(由“猫”完成调制)传输,同时模拟信号也可以转换成数字信号(由“猫”完成解调);计算机局域共享则是典型的数字数据通过数字信号传输。


     

    通信信号的第一个“敌人”是噪声,如下图所示,噪声会影响数字位,足以将1变为0,或将0变为1。


     

    无线传播主要有3种类型:地波传播、天波传播和直线传播,如下图所示。


     

    无线信号除直线传播外,因为阻碍物的存在,还会发现如下图所示的3种传播机制:反射(R)、散射(S)和衍射(D),因为传输路径的不同而引起多径衰退是无线通信的一个挑战。

     


    因为电磁波是连续的模拟信号,无线通信中数字数据都需要调制成模拟信号,常见的方法有:ASK(幅移键控)、FSK(频移键控)和PSK(相移键控),如下图所示。

    二、      LoRa扩频通信

    1944年,好莱坞26岁女影星HedyLamarr(号称世界上最美丽的女人)发明了扩频通信技术,这种跳频技术可以有效地抗击干扰和实现加密。

    后来人们发现,扩频技术可以得到如下收益:从各种类型的噪声和多径失真中获得免疫性;得到信噪比的增益。换句话说,使用扩频通信抗干扰性更强,通信距离更远。CDMA和WiFi都使用了扩频技术。

    扩频调制的示意图如下所示,用户数据的原始信号与扩展编码位流进行XOR(异或)运算,生成发送信号流,这种调制带来的影响是传输信号的带宽有显著增加(扩展了频谱)。

    当然扩频技术也不是万能的,它至少有2个弊端:扩展编码调制生成更多片的数据流导致通信数据率下降;较复杂的调制和解调机制。


    长期以来,要提高通信距离常用的办法是提高发射功率,同时也带来更多的能耗。电池供电的设备(如水表)一般只能使用微功率无线通信,这样一来就限制了其通信距离。现在,SemTech公司推出的LoRa射频,因为采用了扩频调制技术,从而在同等的功耗下取得更远的通信距离。

    2013年SemTech公司推出SX1276/8系列的扩频调制射频芯片,它的实现方式非常巧妙,整个解调器引擎只需要50K个门。功耗低:休眠电流0.2uA,接收电流12mA,发射电流29mA@13dBm,和常见的GFSK芯片Si4438和CC1125接近,但是通信距离是GFSK芯片的3倍。附带说一句,我们国人在IT技术上最大的弱项是硬件呀,基本上IC(集中电路)芯片都靠进口。

    SemTech公司官方宣称该芯片可以达到:可视距离15kM,城市环境中3kM的通信距离。根据我们的实测数据:SX1278在1kbps的速率下可以单跳覆盖一个5000多户的小区。这意味着,使用简单的星型组网就可以建立LoRa微功率网络,而GFSK调制的芯片常常需要树型或MESH等复杂的路由网络。

    同时,根据我们的使用经验,发现LoRa射频芯片至少有2个弊端:首先,通信速率低,它真正与GFSK拉开通信距离差距的速率都低于1kbps,这意味着LoRa主要用于低速率通信,如传感器数据;另外,1.5~2美金的售价比GFSK芯片高出许多,给产品带来高成本。

    了解与下载更多的LoRa资料请链接:http://www.rimelink.com/col.jsp?id=105

    三、构建 LoRa 物联网

    构建 LoRa 物联网系统,具备一些评估和开发工作量。一般而言,一种无线网络只适应某些通信需求,因此,我们建议用户按“三步走”方法规划物联网。

    第一步:使用锐米 web 工具,计算:距离,规模,带宽,功耗,拓扑,成本
    请链接:http://www.rimelink.com/pr.jsp(实用工具)

    第二步:采购1套锐米LoRaWAN系统,评估是否满足需要建设的物联网;

    采购链接:锐米产品 http://www.rimelink.com/pr.jsp​​​​​​

    序号

    设备

    数量

    备注

    1

    锐米LoRaWAN网关

    1台

    必须

    2

    终端DEMO板

    8个

    推荐8个,对应8通道

    3

    UART转USB套装

    不少于2套

    连接PC和终端

    4

    ST LINK仿真器

    1个

    可选(开发DEMO)

    第三步:将Sensor(Actuator)(Sersor or Actuator)连接锐米LoRa终端,

            将App连接锐米LoRaWAN Server,组建一个物联网系统。

    欢迎加入“LoRaWAN论坛”http://lora.timeddd.com/forum.php

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  • 无线通信原理简述

    2016-07-02 10:03:05
    与有线传输相比,无线传输具有许多优点。或许最重要的是,它更灵活。无线信号可以从一个发射器发出到许多接收器而不需要电缆。... 在无线通信中频谱包括了9khz到300000Ghz之间的频率。每一种无线服务都与某一个无

    与有线传输相比,无线传输具有许多优点。或许最重要的是,它更灵活。无线信号可以从一个发射器发出到许多接收器而不需要电缆。所有无线信号都是随电磁波通过空气传输的,电磁波是由电子部分和能量部分组成的能量波。

    本文引用地址:http://www.eepw.com.cn/article/271849.htm

      在中频谱包括了9khz到300000Ghz之间的频率。每一种无线服务都与某一个无线频谱区域相关联。无线信号也是源于沿着导体传输的电流。电子信号从发射器到达天线,然后天线将信号作为一系列电磁波发射到空气中。

      信号通过空气传播,直到它到达目标位置为止。在目标位置,另一个天线接收信号,一个接收器将它转换回电流。接收和发送信号都需要天线,天线分为全向天线和定向天线。在信号的传播中由于反射、衍射和散射的影响,无线信号会沿着许多不同的路径到达其目的地,形成多径信号。

      图1无所不在

     

    无线通信原理——基本原理

      无线通信是利用电波信号可以在自由空间中传播的特性进行信息交换的一种通信方式。在移动中实现的无线通信又通称为移动通信,人们把二者合称为无线移动通信。简单讲,无线通信是仅利用电磁波而不通过线缆进行的通信方式。

      1,无线频谱

      所有无线信号都是随电磁波通过空气传输的,电磁波是由电子部分和能量部分组成的能量波。声音和光是电磁波得两个例子。无线频谱(也就是说,用于广播、蜂窝电话以及卫星传输的波)中的波是不可见也不可听的——至少在接收器进行解码之前是这样的。

      “无线频谱”是用于远程通信的电磁波连续体,这些波具有不同的频率和波长。无线频谱包括了9khz到300 000Ghz之间的频率。每一种无线服务都与某一个无线频谱区域相关联。例如,AM广播涉及无线通信波谱的低端频率,使用535到1605khz之间的频率。

      无线频谱是所有电磁波谱的一个子集。在自然界中还存在频率更高或者更低的电磁波,但是他们没有用于远程通信。低于9kz的频率用于专门的应用,如野生动物跟踪或车库门开关。频率高于300 000Ghz的电磁波对人类来说是可见的,正是由于这个原因,他们不能用于通过空气进行通信。例如,我们将频率为428570Ghz的电磁波识别为红色。图2显示了整个电磁波谱。

      图2电磁波谱

      当然,通过空气传播的信号不一定会保留在一个国家内。因此,全世界的国家就无线远程通信标准达成协议是非常重要的。ITU就是管理机构,它确定了国际无线服务的标准,包括频率分配、无线电设备使用的信号传输和协议、无线传输及接收设备、卫星轨道等。如果政府和公司不遵守ITU标准,那么在制造无线设备的国家之外就可能无法使用它们。

      2,无线传输的特征

      虽然有线信号和无线信号具有许多相似之处——例如,包括协议和编码的使用——但是空气的本质使得无线传输与有线传输有很大的不同。当工程师门谈到无线传输时,他们是将空气作为“无制导的介质”。因为空气没有提供信号可以跟随的固定路径,所以信号的传输是无制导的。

      正如有线信号一样,无线信号也是源于沿着导体传输的电流。电子信号从发射器到达天线,然后天线将信号作为一系列电磁波发射到空气中。信号通过空气传播,直到它到达目标位置为止。在目标位置,另一个天线接收信号,一个接收器将它转换回电流。图3显示了这个过程。

      图3 无线发送和接收

      注意,在无线信号的发送端和接收端都使用了天线,而要交换信息,连接到每一个天线上的收发器都必须调整为相同的频率。

      3,天线

      每一种无线服务都需要专门设计的天线。服务的规范决定了天线的功率输出、频率及辐射图。天线的“辐射图”描述了天线发送或接收的所有电磁能的三维区域上的相对长度。“定向天线”沿着一个单独的方向发送无线电信号。这种天线用在来源需要与一个目标位置(如在点对点连接中)通信时。定向天线还可能用在多个接收节点排列在一条线上时。或者,它可能用在维持信号的一定距离上的强度比覆盖一个较广的地理区域更重要时,因为天线可以使用它的能量在更多的方向发送信号,也可以在一个方向上发送更长的距离。使用定向天线无线服务的一些例子包括卫星下行线路和上行线路,无线LAN以及太空、海洋和航空导弹。图4显示了一个定向天线的辐射示意图。

      图4 定向天线的辐射示意图

      与之相比,“全向天线”在所有的方向上都与相同的强度和清晰度发送和接收无线信号。这种天线用在许多不同的接收器都必须能够获得信号时,或者用在接收器的位置高度易变时。电视台和广播站使用全向天线,大多数发送移动电话的发射塔也是如此。图5显示了全向天线的辐射图。

      图5全向天线的辐射图

      无线信号传输中的一个重要考虑是天线可以将信号传输的距离,同时还使信号能够足够强,能够被接收机清晰地解释。无线传输的一个简单原则是,较强的信号将传输的比较弱的信号更远。

      正确的天线位置对于确保无线系统的最佳性能也是非常重要的。用于远程信号传输的天线经常都安装在塔上或者高层的顶部。从高处发射信号确保了更少的障碍和更好的信号接收。

      4,信号传播

      在理想情况下,无线信号直接在从发射器到预期接收器的一条直线中传播。这种传播被称为“视线”(Line Of Sight,LOS),它使用很少的能量,并且可以接收到非常清晰的信号。不过,因为空气是无制导介质,而发射器与接收器之间的路径并不是很清晰,所以无线信号通常不会沿着一条直线传播。当一个障碍物挡住了信号的路线时,信号可能会绕过该物体、被该物体吸收,也可能发生以下任何一种现象:发射、衍射或者散射。物体的几何形状决定了将发生这三种现象中的那一种。

      (1)反射、衍射和散射

      无线信号传输中的“反射”与其他电磁波(如光或声音)的反射没有什么不同。波遇到一个障碍物并反射——或者弹回——到其来源。对于尺寸大于信号平均波长的物体,无线信号将会弹回。例如,考虑一下微波炉。因为微波的平均波长小于1毫米,所以一旦发出微波,它们就会在微波炉的内壁(通常至少有15cm长)上反射。究竟哪些物体会导致无线信号反射取决于信号的波长。在无线LAN中,可能使用波长在1~10米之间的信号,因此这些物体包括墙壁、地板天花板及地面。

      在“衍射”中,无线信号在遇到一个障碍物时将分解为次级波。次级波继续在它们分解的方向上传播。如果能够看到衍射的无线电信号,则会发现它们在障碍物周围弯曲。带有锐边的物体——包括墙壁和桌子的角——会导致衍射。

      “散射”就是信号在许多不同方向上扩散或反射。散射发生在一个无线信号遇到尺寸比信号的波长更小的物体时。散射还与无线信号遇到的表面的粗糙度有关。表面也粗糙,信号在遇到该表面是就越容易散射。在户外,树木会路标都会导致移动电话信号的散射。

      另外,环境状况(如雾、雨、雪)也可能导致反射、散射和衍射

      (2)多路径信号

      由于反射、衍射和散射的影响,无线信号会沿着许多不同的路径到达其目的地。这样的信号被称为“多路径信号”。多路径信号的产生并不取决于信号是如何发出的。它们可能从来源开始在许多方向上以相同的辐射强度,也可能从来源开始主要在一个方向上辐射。不过,一旦发出了信号,由于反射、衍射和散射的影响,它们就将沿着许多路径传播。图6显示了这三种信号所导致的多径信号。

      图6 多径信号

      无线信号的多路径性质既是一个优点又是一个缺点。一方面,因为信号在障碍物上反射,所以它们更可能到达目的地。在办公楼这样的环境中,无线服务依赖于信号在墙壁、天花板、地板以及家具上的反射,这样最终才能到达目的地。

      多路径信号传输的缺点是因为它的不同路径,多路径信号在发射器与接收器之间的不同距离上传播。因此,同一个信号的多个实例将在不同的时间到达接收器,导致衰落和延时。

      5,窄带、宽带及扩展频谱信号

      传输技术根据它们的信号使用了无线频谱的部分大小而有所不同。一个重要区别就是无线使用窄带还是宽带信号传输。在“窄带”,发射器在一个单独的频率或者非常小的频率范围上集中信号能量。与窄带相反,“宽带”是指一种使用无线频谱的相对较宽频带的信号传输方式。

      使用多个频率来传输信号被称为扩展频谱技术,换句话说,在传输过程中,信号从来不会持续停留在一个频率范围内。在较宽的频带上分布信号的一个结果是它的每一个频率需要的功率比窄带信号传输更小。信号强度的这种分布使扩展频谱信号更不容易干扰在同一个频带上传输的窄带信号。

      在多个频率上分布信号的另一个结果是提高了安全性。因为信号是根据一个只有获得授权的发射器和接收器才知道的序列来分布的,所以未获授权的接收器更难以捕获和解码这些信号。

      扩展频谱的一个特定实现是“跳频扩展频谱”(Frequency Hopping Spread Spectrum ,FHSS)。在FHSS传输中,信号与信道的接收器和发射器知道的同一种同步模式在一个频带的几个不同频率之间跳跃。另一种扩展频谱信号被称为“直接序列扩展频谱”(Direct Sequence Spread Spectrum,DSSS)。在DSSS中,信号的位同时分布在整个频带上。对每一位都进行了编码,这样接收器就可以在接收到这些位时重组原始信号。

      6,固定和移动

      每一种无线通信都属于以下两个类别之一:固定或移动。在“固定”无线系统中,发射器和接收器的位置是不变的。传输天线将它的能量直接对准接收器天线,因此,就有更多的能量用于该信号。对于必须跨越很长的距离或者复杂地形的情况,固定的无线连接比铺设电缆更经济。

      不过,并非所有通信都适用固定无线。例如,移动用户不能使用要求他们保留在一个位置来接收一个信号的服务。相反,移动电话、寻呼、无线LAN以及 其它许多服务都在使用“移动”无线系统。在移动无线系统中,接收器可以位于发射器特定范围内部的任何地方。这就允许接收器从一个位置移动到另一个位置,同时还继续接受信号。

    无线通信原理——发展现状

      1,分类

      无线通信主要包括微波通信和卫星通信。微波是一种无线电波,它传送的距离一般只有几十千米。但微波的频带很宽,通信容量很大。微波通信每隔几十千米要建一个微波中继站。卫星通信是利用通信卫星作为中继站在地面上两个或多个地球站之间或移动体之间建立微波通信联系。

      2,热点技术

      (1)4G

      第四代移动电话行动通信标准,指的是第四代移动通信技术,外语缩写:4G。该技术包括TD-LTE和FDD-LTE两种制式(严格意义上来讲,LTE只是3.9G,尽管被宣传为4G无线标准,但它其实并未被3GPP认可为国际电信联盟所描述的下一代无线通讯标准IMT-Advanced,因此在严格意义上其还未达到4G的标准。只有升级版的LTE Advanced才满足国际电信联盟对4G的要求)。4G是集3G与WLAN于一体,并能够快速传输数据、高质量、音频、视频和图像等。4G能够以100Mbps以上的速度下载,比目前的家用宽带ADSL(4兆)快25倍,并能够满足几乎所有用户对于无线服务的要求。此外,4G可以在DSL和有线电视调制解调器没有覆盖的地方部署,然后再扩展到整个地区。很明显,4G有着不可比拟的优越性。

      图7 4G迅速火爆

      (2)ZigBee技术

      ZigBee技术主要用于无线个域网(WPAN),是基于IEE802.15.4无线标准研制开发的,是一种介于RFID和蓝牙技术之间的技术提案,主要应用在短距离并且数据传输速率不高的各种电子设备之间。ZigBee协议比蓝牙、高速率个域网或802.11x无线局域网更简单使用,可以认为是蓝牙的同族兄弟。

      (3)WLAN与WiFi/WAPI

      WLAN(无线局域网)是一种借助无线技术取代以往有线布线方式构成局域网的新手段,可提供传统有线局域网的所有功能,是计算机网络与无线通信技术相结合的产物。它是通用无线接入的一个子集,支持较高传输速率(2Mb/s~54Mb/s,甚至更高),利用射频无线电或红外线,借助直接序列扩频(DSSS)或跳频扩频(FHSS)、GMSK、OFDM等技术,甚至将来的超宽带传输技术UWBT,实现固定、半移动及移动的网络终端对Internet网络进行较远距离的高速连接访问。目前,原则上WLAN的速率尚较低,主要适用于手机、掌上电脑等小巧移动终端。1997年6月,IEEE推出了802.11标准,开创了WLAN先河,WLAN领域现在主要有IEEE802.11x系列与HiperLAN/x系列两种标准。

      WiFi俗称无线宽带,全称Wireless Fideliry。无线局域网又常被称作WiFi网络,这一名称来源于全球最大的无线局域网技术推广与产品认证组织——WiFi联盟(WiFi Alliance)。作为一种无线联网技术,WiFi早已得到了业界的关注。WiFi终端涉及手机、PC(笔记本电脑)、平板电视、数码相机、投影机等众多产品。目前,WiFi网络已应用于家庭、企业以及公众热点区域,其中在家庭中的应用是较贴近人们生活的一种应用方式。由于WiFi网络能够很好地实现家庭范围内的网络覆盖,适合充当家庭中的主导网络,家里的其他具备WiFi功能的设备,如电视机、影碟机、数字音响、数码相框、照相机等,都可以通过WiFi网络这个传输媒介,与后台的媒体服务器、电脑等建立通信连接,实现整个家庭的数字化与无线化,使人们的生活变得更加方便与丰富。目前,除了用户自行购置WiFi设备建立无线家庭网络外,运营商也在大力推进家庭网络覆盖。比如,中国电信的“我的E家”,将WiFi功能加入到家庭网关中,与有线宽带业务绑定。今后WiFi的应用领域还将不断扩展,在现有的家庭网、企业网和公众网的基础上向自动控制网络等众多新领域发展。

      WAPI是WLAN Authentication and Privacy Infrastructure的缩写。WAPI作为我国首个在计算机网络通信领域的自主创新安全技术标准,能有效阻止无线局域网不符合安全条件的设备进入网络,也能避免用户的终端设备访问不符合安全条件的网络,实现了“合法用户访问合法网络”。WAPI安全的无线网络本身所蕴含的“可运营、可管理”等优势,已被以中国移动、中国电信为代表的极具专业能力的运营商积极挖掘并推广、应用,运营市场对WAPI的应用进一步促进了其他行业市场和消费者关注并支持WAPI。目前市场上已有50多款来自全球主要手机制造商的智能手机支持WAPI,包括诺基亚、三星、索爱、酷派。而中国三大电信运营商也都已开始或完成第一批WAPI热点的招标和竞标工作,以中国移动为例,到目前为止已实际部署了大概10万个WAPI热点。这意味着WAPI的生态系统已基本建成,WAPI商业化的大门已经打开。

      (4)短距离无线通信(蓝牙、RFID、IrDA)

      蓝牙(Bluetooth)技术,实际上是一种短距离无线电技术。利用蓝牙技术,能够有效地简化掌上电脑、笔试本电脑和移动电话手机等移动通信终端设备之间的通信,也能够成功地简化以上这些设备与因特网之间的通信,从而使这些现代通信设备与因特网之间的数据传输变得更加迅速高效,进而为无线通信拓宽道路。蓝牙采用分散式网络结构以及快跳频和短包技术,支持点对点及点对多点通信,工作在全球通用的2.4GHz ISM(即工业、科学、医学)频段,其数据速率为1Mbps,采用时分双工传输方案实现全双工传输。蓝牙技术为免费使用,全球通用规范,在现今社会中的应用范围相当广泛。

      RFID是Radio Frequency Identification的缩写,即射频识别,俗称电子标签。射频识别技术是一项利用射频信号通过空间耦合(交变磁场或电磁场)实现无接触信息传递并通过所传递的信息达到识别目的的技术。目前RFID产品的工作频率有低频(125kHz~134kHz)、高频(13.56MHz)和超高频(860MHz~960MHz),不同频段的RFID产品有不同的特性。射频识别技术被广泛应用于工业自动化、商业自动化、交通运输控制管理、防伪等众多领域,例如WalMart、Tesco、美国国防部和麦德龙超市都在它们的供应链上应用RFID技术。在将来,超高频的产品会得到大量的应用。

      IrDA是一种利用红外线进行点对点通信的技术,也许是第一个实现无线个人局域网(PAN)的技术。目前其软硬件技术都很成熟,在小型移动设备,如PDA、手机上广泛使用。事实上,当今每一个出厂的PDA及许多手机、笔记本电脑、打印机等产品都支持IrDA。IrDA的主要优点是无需申请频率的使用权,因而红外通信成本低廉。它还具有移动通信所需的体积小、功耗低、连接方便、简单易用的特点;且由于数据传输率较高,适于传输大容量的文件和多媒体数据。此外,红外线发射角度较小,传输安全性高。IrDA的不足在于它是一种视距传输,2个相互通信的设备之间必须对准,中间不能被其他物体阻隔,因而该技术只能用于2台(非多台)设备之间的连接(而蓝牙就没有此限制,且不受墙壁的阻隔)。IrDA目前的研究方向是如何解决视距传输问题及提高数据传输率。

      (5)WiMAX

      WiMAX全称为World Interoperability for Microwave Access,即全球微波接入互操作系统,可以替代现有的有线和DSL连接方式,来提供最后一英里的无线宽带接入,其技术标准为IEEE 802.16,其目标是促进IEEE 802.16的应用。相比其他无线通信系统,WiMAX的主要优势体现在具有较高的频谱利用率和传输速率上,因而它的主要应用是宽带上网和移动数据业务。

      (6)超宽带无线接入技术UWB

      UWB(Ultra Wideband)是一种无载波通信技术,利用纳秒至微微秒级的非正弦波窄脉冲传输数据。通过在较宽的频谱上传送极低功率的信号,UWB能在10米左右的范围内实现数百Mb/s至数Gb/s的数据传输速率。UWB具有抗干扰性能强、传输速率高、带宽极宽、消耗电能小、发送功率小等诸多优势,主要应用于室内通信、高速无线LAN、家庭网络、无绳电话、安全检测、位置测定、雷达等领域。

      对于UWB技术,应该看到,它以其独特的速率以及特殊的范围,也将在无线通信领域占据一席之地。由于其高速、窄覆盖的特点,它很适合组建家庭的高速信息网络。它对蓝牙技术具有一定的冲击,但对当前的移动技术、WLAN等技术的威胁不大,反而可以成为其良好的补充。

      (7)EnOcean

      EnOcean无线通信标准被采纳为国际标准“ISO/IEC 14543-3-10”,这也是世界上唯一使用能量采集技术的无线国际标准。EnOcean能量采集模块能够采集周围环境产生的能量,从光、热、电波、振 动、人体动作等获得微弱电力。这些能量经过处理以后,用来供给EnOcean超低功耗的无线通讯模块,实现真正的无数据线,无电源线,无电池的通讯系统。 EnOcean无线标准ISO/IEC14543-3-10使用868MHz,902MHz,928MHz和315MHz频段,传输距离在室外是300 米,室内为30米。

      (8)Z-Wave

      Z-Wave是由丹麦公司Zensys所主导的无线组网规格, Z-Wave是一种新兴的基于射频的、低成本、低功耗、高可靠、适于网络的短距离无线通信技术。工作频带为908.42MHz,868.42MHz信号的有效覆盖范围在室内是30m,室外可超过100m,适合于窄带宽应用场合。Z-Wave技术也是低功耗和低成本的技术,有力地推动着低速率无线个人区域网。

      图8 各协议的功耗及传输距离对比

      通过下面两个表格,我们可以更直观全面地对比几种主流的无线通信技术:

      表1 部分主流无线通信技术比较

      表2 EnOcean、Zigbee和Z-Wave无线通信技术情况对比

      图9示出这些无线通信技术的作用距离与数据率的关系:可见,数据率越高,作用距离就越短。可用网络技术扩展作用距离而仍然保持数据率。

      图9无线通信技术数据率与作用距离的关系

      当今最流行的无线通信技术、应用、和规范示于表3,包括:各种无线通信技术的适用频段、调制方式、最大作用距离、数据率和应用领域等。

      表3 常用无线通信技术、应用、和规范

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  • 障碍物损耗 地面反射损耗 平衰落-非色散信道 时延扩展小于码元周期 ...散射通信是利用部分散射体内介质的前向散射信号。 典型的多径信道 快衰落服从瑞利分布 慢衰落服从正态分布 克服散射新到衰落的主...

    障碍物损耗
    地面反射损耗

    平衰落-非色散信道 时延扩展小于码元周期

    接收点的场强为随机变量。党衰落较严重时,场强接近瑞利分布
    接收点场强小于某个值的概率

    频率选择性衰落

    • 时延扩展超过码元周期
    • 很严重,完全扭曲信号

    地面超视距传播

    对流层散射传播

    • 10-12km对流层
    • 散射通信是利用部分散射体内介质的前向散射信号。
    • 典型的多径信道
    • 快衰落服从瑞利分布
    • 慢衰落服从正态分布
    • 克服散射新到衰落的主要方法是采用分集接收技术

    电离层反射传播

    • 1000-2000km传输距离
    • 分为 D,E,F三层
      • D层完全吸收,无法通信,造成损耗
      • E层白天反射,晚上消失
      • F层昼夜都能保持通信功能
    • 存在严重的多径,延时可达到毫秒级
    • 采用短波波段(2-30MHz)
    • 存在严重的时变性,电离层的特性随时变化,并且很难准确预测
    • 存在多种损耗
      • 吸收损耗
      • 地面反射损耗
      • 系统额外损耗
        -自适应均衡、自动线路建立、分集

    流星余迹传播

    • 利用流星余迹的散射和反射进行通行
    • 200-300km

    卫星传播

    静止卫星

    • 信道稳定,可以按照自由空间传播损耗计算
    • 长延时

    移动卫星

    • 考虑地面的影响
    • 多普勒效应
    • 接收信号点评服从莱斯分布

    移动传播

    • 传播环境十分复杂,包括:
      • 直射
      • 绕射
      • 反射
      • 散射

    大尺度传播模型

    • 长距离上平均场强的变化
    • 用于预测平均场强并估计无线覆盖范围
    • 距离尺度大
    • 刻画平均功率损耗
    • 节约人力,可高效组网

    小尺度传播模型

    • 描述移动台在极小范围内移动时,短距离或时间上接收场强的快速变化(瞬时值),用于确定移动通信系统应该采取的技术措施

    对数距离路径衰减规律

    n*log(d)
    

    空间选择性衰落

    • 同一时间,同一信号,不同地点收到信号不同
    • 周期性
    • 周期小,沿空间变化快
    • 多径->角度扩散->空间选择性衰落

    频率选择性衰落

    • 不同的频率衰落特性不一样
    • 傅立叶变换
    • 时延不超过码元周期则为平衰落

    时间选择性衰落

    • 多普勒效应
      • 运动时频率会变化

    三种衰落的根本原因: mutipath多径

    • 第一类多径干扰
    • 第二类多径干扰
    • 第三类多径干扰

    衰落信道的分类

    • 基于多径时延扩散(频率)
      • 平衰落
      • 频率选择性衰落
    • 基于多普勒扩散(时间)
      • 快衰落
      • 慢衰落

    Longley-Rice模型

    - 有计算机软件包
    - 没有考虑多径效应,有误差
    

    Durikin模型

    Okumura模型

    • 150MHz-3GHz
    • 经验公式
    • 适用城区,日本系统规划标准
    • 其他地方不适用

    Hata模型

    室内模型

    对数路径损耗模型

    • 不精确
    • 大概能用

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  • 无线传感器网络(WSN)是一种无线网络,由分布式设备组成,这些设备使用不同位置的传感器来协同监控物理或环境条件,如温度,声音,振动,压力,运动或污染物。 除了一个或多个传感器之外,传感器网络中的每个节点...

    概述: 

    无线传感器网络(WSN)是一种无线网络,由分布式设备组成,这些设备使用不同位置的传感器来协同监控物理或环境条件,如温度,声音,振动,压力,运动或污染物。

    除了一个或多个传感器之外,传感器网络中的每个节点通常还配备有无线电收发器或其他无线通信设备,小型微控制器和能源,通常是电池。单个传感器节点的大小可以从鞋盒大小的节点变化到硬币大小的设备。传感器节点的成本同样可变,这取决于传感器网络的大小和各个传感器节点所需的复杂性。传感器节点的尺寸和成本限制导致对资源的相应约束,例如能量,存储器,计算速度和带宽。

      无线个域网已部分地出现在IEEE 802.15.4标准的结果中,用于嵌入式设备之间的低数据速率数字无线电连接。在媒体访问控制(MAC)和物理(PHY)层之上,已经形成了许多标准,例如Zigbee联盟和线程组,这些标准的形成是为了标准化行业努力为基于的网络解决方案提供技术。 802.15.4,具有低数据速率,消耗非常少的功率,因此具有长电池寿命的特点。Zigbee标准使得所有设备能够进行通信以进行监控和控制的完整且经济高效的联网住宅和类似建筑成为可能。Thread Group为这些小型嵌入式设备带来了IPv6。

    一、无线电基础知识     

      1.1 概述    

      无线电是通过调制频率低于可见光的电磁波来无线传输信号。在无线电的情况下,电磁波是一种非电离辐射,它通过穿过电导体,空气和空间真空的振荡电磁场传播。电磁辐射不需要像声波那样的传输介质。通过系统地改变(调制)辐射波的某些特性,例如它们的幅度或频率,可以对电磁波施加信息。当无线电波通过电导体时,振荡场在导体中感应出交流电流。这可以被检测并转换为声音或其他信号,以重现强加的信息。“无线电”一词用于描述这种现象,无线电传输信号被归类为射频发射。用于通信的无线电波的范围或频谱已被分成任意单元以进行识别。联邦通信委员会(FCC)和国家电信和信息协会(NTIA)任意将美国的无线电频谱定义为频率限制在9千赫兹和300千兆赫之间的电磁辐射的自然频谱部分。为方便起见,进入各种子谱。

      1.2频带

      无线电频谱由政府机构和国际条约管理。大多数发射台,包括商业广播公司,军事,科学,工业和业余无线电台,都需要许可才能运营。每个许可证通常定义操作类型,功率电平,调制类型的限制,以及分配的频带是保留用于专用还是共享使用。三个频段可用于传输无线电信号,无需美国政府许可:900 MHz 900 MHz频段在不同国家广泛用于不同的产品,包括寻呼机和蜂窝设备。该带被认为具有良好的射程特性。然而,它可能不太受欢迎,因为它不是全球未经许可的频段,因此产品需要根据它们的使用位置进行修改。2400 MHz 2400 MHz频段是一种非常常用的频段。该频段是全球首批未开发的乐队之一,因此成为无线消费产品的热门产品。使用此频段的典型无线技术是802.11b(1-11 Mbps),802.11g(1-50 Mbps)和802.15.4,以及众多专有无线电类型。5200-5800 MHz 5200 MHz频段有三个子频段,最低的仅用于室内家用,而5800 MHz频率可用于非常快的速度(30 - 100 Mbps)的长距离无线链路。常见的策略是在住宅和家庭环境中使用2400 MHz。Zigbee联盟和线程组支持使用这个频段,两者都在寻找其他SubGHz频段以扩展其功能

      1.3 信号调制    

      调制是改变信号行为以便传输信息的过程。调制也可以被认为是对要发送到接收器的信息进行编码的方式,该接收器将信息解码或解调成有用的形式。基本射频(RF)信号具有可以被视为交流电的基频,其频率被称为载波频率。用于将信息编码到载波上的最早方法涉及在特定持续时间模式中接通和断开载波。这被称为连续波(CW)模式。载波频率也可以在其幅度(即信号强度)或其频率上变化。这两种调制方法分别称为幅度调制(AM)和频率调制(FM)。使用这三种基本调制技术和这些技术的创造性变化,可以将信号施加到载波上。Silicon Labs EFR32和EM3x集成电路系列使用一种偏置正交相移键控(OQPSK)来调制载波。相移键控(PSK)是一种数字调制方案,其通过改变或调制诸如载波的参考信号的相位来传送数据。PSK是FM技术的衍生物。所有数字调制方案都使用有限数量的不同信号来表示数字数据。在PSK的情况下,使用有限数量的相位。为这些阶段中的每一个分配唯一的二进制位模式。通常,每个阶段编码相同数量的比特。每个比特模式形成由特定阶段表示的符号。专门为调制器使用的符号集设计的解调器确定接收信号的相位并将其映射回它所代表的符号,从而恢复原始数据。为此,接收器必须将接收信号的相位与参考信号进行比较。这种系统被称为连贯的

      1.4 天线    

        天线(或天线)是设计用于发射或捕获电磁波的电导体的布置。天线发射可由另一天线检测的信号的能力被称为无线电传播。天线根据工作频率制成一定的尺寸。来自2400 MHz无线电的天线无法在5800 MHz无线电上有效使用,反之亦然。但是,一种2400 MHz技术的天线,如Wi-Fi或蓝牙,可用于另一种2400 MHz技术,如Zigbee或Thread。参考特定的三维空间描述了两种基本类型的天线:

    • 全向:在所有方向上均匀辐射

    • 单向(也称为方向):在一个方向上比在另一个方向上辐射更多。所有天线都在自由空间的所有方向上辐射一些能量,但仔细的构造会导致某些方向的能量大量传输,而其他方向辐射的能量可忽略不计。

      通常,由于网状网络的性质,期望全向天线提供尽可能多的通信路径。

        二、网络       

          2.1 基本概念:

      甲网络是计算机和连接在使得它们可以交换数据的方法的其它设备(如打印机和调制解调器)的系统。该数据可以是信息性的或面向命令的,或两者的组合。一个网络系统由硬件和软件组成。网络上的硬件包括物理设备,如计算机工作站,外围设备以及充当文件服务器,打印服务器和路由器的计算机。这些设备都称为网络上的节点。如果节点未全部连接到单个物理电缆,则特殊硬件和软件设备必须连接不同的电缆,以便将消息转发到其目标地址。一桥或中继器是不检查邮件的地址或决策,以一条消息把最好的路线连接网线的设备。相反,路由器包含寻址和路由信息,使其能够从消息的地址确定消息的最有效路由。在传送到目标目的地之前,可以将消息从路由器多次传递到路由器。为了使节点交换数据,它们必须使用一组共同的规则来定义数据的格式以及数据的传输方式。甲协议是一个正式组用于数据交换的程序规则。该协议还为网络互连节点之间的交互提供规则。网络软件开发人员在执行协议所需功能的软件应用程序中实现这些规则。路由器只有在使用相同的协议和地址格式时才能连接网络,而网关会转换地址和协议以连接不同的网络。这样的一组互连网络可以称为因特网,内联网,广域网(WAN)或其他专用网络拓扑。互联网一词通常用于指全球最大的网络系统,也称为万维网。用于实现万维网的基本协议称为Internet协议或IP。网络协议通常使用另一种更基本的协议的服务来实现其目的。例如,传输控制协议(TCP)使用IP封装数据并通过IP网络传输数据。使用底层协议服务的协议据说是较低协议的客户端; 例如,TCP是IP的客户端。以这种方式相关的一组协议称为协议栈

        2.2 无线网络:

      无线网络模仿有线网络,但用无线电信号替换线路作为数据互连介质。协议基本上与有线网络中使用的相同,尽管添加了一些附加功能,因此两种类型的网络仍可互操作。然而,已经出现了无线网络,其没有需要互操作性的有线对应物。这些专用网络拥有自己的硬件和软件基础,​​可在其独特环境范围内实现可靠的网络连接。

    注意:大多数网络协议在某种程度上都基于开放系统互连(OSI)模型。

      2.3 网络设备:

       Silicon Labs开发了网络硬件(EFR32xG和EM3x系列)和SDK(EmberZNet SDK,Silicon Labs Thread SDK,Flex SDK以及其他堆栈和应用程序开发工具),以便于实现用于传感和设备的无线个域网设备。控制应用。下图表示使用Silicon Labs网络技术之一的Zigbee的典型无线设备。RF数据调制解调器是负责在网络上发送和接收数据的硬件。微控制器代表计算机控制元件,它发起消息并响应收到的任何信息。传感器块可以是任何类型的传感器或控制设备。这样的系统可以作为网络上的节点存在而无需任何附加设备。具有兼容软件的任何两个这样的节点都可以形成网络。

                      

     

     

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无线网络通讯原理