常见无线通信（数据）传输方式及技术

互推小编 2023-12-14

近年来，物联网正以不可阻挡的趋势发展，物联网无线通信技术是实现万物互联的重要环节，在传输速度及成本方面具有显著特征，无线通信是利用电磁波信号在自由空间中传播的特性进行信息交换的一种通信方式。物联网无线通信技术可分为近距离无线通信技术和远距离无线通信技术。近距离通信技术包括Wi-Fi、蓝牙、ZigBee等。远距离通信技术以2G/3G/4G/5G、LPWAN（NB-IOT、eMTC、LoRa等）为代表。

一、近距离无线通信技术

短（近）距离无线通信技术是指通信双方通过无线电波传输数据，并且传输距离在较近的范围内，其应用范围非常广泛。近年来，应用较为广泛及具有较好发展前景的短距离无线通信标准有：Zig-Bee、蓝牙（Bluetooth）、无线宽带（Wi-Fi）、超宽带（UWB）和近场通信(NFC）。蓝牙、WiFi 和 ZigBee协议，原理上都是通过把数据调制成电磁波信号发射出去，另一端再解调接收到的电磁波，实现无线的数据传输。

（一）、Zig-Bee

1、技术解释

Zig-Bee是基于IEEE802.15.4标准而建立的低功耗、低成本、低数据速率、短距离自组织无线网络技术，网络节点数最大可达65000个。工作在2.4GHz(全球流行)、868MHz(欧洲流行)和915 MHz(美国流行)3个频段上,分别具有最高250kbit/s、20kbit/s和40kbit/s的传输速率，它的传输距离在10-75m的范围内,但可以继续增加。ZigBee 网络由三个设备组成——协调器、路由器和终端设备，主要用于传感器和控制系统之间的双向通信，用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输以及典型的有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据传输的应用。

不同于其它无线通信技术，ZigBee的网络拓扑结构主要有星型网络和网状网络，网络具备自组网及自愈能力，能够实现多级中继通信服务。每个ZigBee网络节点不仅本身可以作为监控对象，例如其所连接的传感器直接进行数据采集和监控，还可以自动中转别的网络节点传过来的数据资料。除此之外，每一个ZigBee网络节点(FFD)还可在自己信号覆盖的范围内，和多个不承担网络信息中转任务的孤立的子节点(RFD)无线连接。

Zig-Bee通讯技术主要适用于家庭和楼宇控制、工业现场自动化控制、农业信息收集与控制、公共场所信息检测与控制、智能型标签等领域，可以嵌入各种设备。

2、优点

（1）距离近，其通常传输距离是10-100m；

（2）低功耗，在低耗电待机模式下，2节5号干电池可支持1个终端工作6-24个月，甚至更长；

（3）低成本，Zig-Bee免协议费，芯片价格便宜；

（4）低速率，Zig-Bee通常工作在20-250kbps的较低速率；

（5）短时延，Zig-Bee的响应速度较快；

（6）网络容量大，一个区域内可以同时存在最多100个ZigBee网络,一个 Zigbee网络最多可以容纳254个从设备和一个主设备，而且网络组成灵活；

（7）安全可靠，提供三级安全控制，采用AES加密，采取碰撞避免策略，采用完全确认的数据传输模式，预留了专用时隙。

3、缺点

（1）传输距离短：Zigbee的传输距离受到环境和信道质量的影响，通常在室

内环境下的传输距离为10-100米左右，而在室外环境下的传输距离则可能更短。这限制了Zigbee在某些需要大范围覆盖的应用场景中的使用。

（2）传输速率受限：Zigbee的最高传输速率为250 kbps，相对较低。这使得它不能满足一些需要高速数据传输的应用场景。

（3）通信协议复杂：Zigbee的通信协议相对较为复杂，需要对协议栈和网络拓扑结构等方面有深入的了解才能开发出稳定、高效的应用程序。

（二）、蓝牙（Bluetooth）

1、技术解释

蓝牙是一种无线技术标准，可实现固定设备、移动设备和楼宇个人域网之间的短距离数据交换，属于扩展频谱，跳频全双工信号，功耗低，组网简单，工作频段在2．4GHz。蓝牙可连接多个设备，克服了数据同步的难题，能够在10米的半径范围内实现点对点或一点对多点的无线数据和声音传输，其数据传输带宽可达1Mbps。

蓝牙技术可以广泛应用于无线办公环境、汽车工业、信息家电、医疗设备以及学校教育和工厂自动控制等领域，局域网络中各类数据及语音设备，如PC、拨号网络、笔记本电脑、打印机、传真机、数码相机、移动电话和高品质耳机等，实现各类设备之间随时随地进行通信。

2、优点

（1）低功耗：蓝牙技术的功耗很低，因此适合于使用电池供电的设备，如蓝牙耳机、智能手表等；

（2）成本低：成本低，组网方便，不需要使用电缆连接设备，用户可以随时随地在设备之间进行无线数据传输；

（3）安全性：蓝牙技术可以使用加密和认证等多种安全措施来保护用户数据和网络安全；

（4）兼容性好：蓝牙技术已经成为一种全球性的通信标准，几乎所有的智能设备都支持蓝牙连接，无需担心设备兼容性的问题。

3、缺点

（1）传输速度慢：蓝牙技术的传输速度相对较慢，最高速度只能达到几十Mbps，无法满足大数据传输的需求；

（2）信号覆盖范围小：蓝牙技术的信号覆盖范围比较小，一般只能达到10米左右，如果在较大的范围内传输数据，可能需要增加中继设备，增加了设备和成本；

（3）受干扰：蓝牙技术容易受到周围的其他无线信号干扰，例如WiFi信号和其他蓝牙设备的信号；

（4）连接限制：蓝牙的网络节点少，技术连接数有限，一般只能支持7个左右的连接，无法满足大量设备连接的需求，不适用于复杂的网络控制；

（5）兼容性问题：虽然蓝牙技术已经成为全球性的通信标准，但是不同的设备对蓝牙的支持程度不同，有些设备可能无法正常连接蓝牙。

（三）、无线宽带（Wi-Fi）

1、技术解释

无线宽带（Wi-Fi）是一种基于802.11协议的无线局域网接入技术，允许带WiFi功能的设备连接到一个无线局域网（WLAN），工作在2.4G和5G频段。传输距离在 100~300M，速率可达 300Mbps，功耗 10-50mA。流行的802.11n速度可达300Mbps，而更新的工作在5GHz ISM频段的802.11ac，速度甚至可以超过1.3Gbps。理论上，用户位于接入点周围的某个区域，但如果被墙遮挡，建筑物内的有效传输距离将小于室外。

WiFi技术主要用于SOHO、购物中心、机场、家庭无线网络、机场、酒店、其他公共热点等不方便安装电缆的建筑物和场所，节省了大量电缆铺设费用。

2、优点

（1）高速：传输速率比较快，一般能达到几十，几百兆，更甚至达到1Gbps。其传输速度可以达到11mbps（802.11b）或者54mbps（802.11.a），适合高速数据大数据传输的业务；

（2）共享：一个WiFi网络可以支持多个设备同时连接，实现了多人共享网络的需求；

（3）成本低：通信模块成本低、施工方便、方便连接各种设备、实用性好，无须布线，可以不受布线条件的限制，非常适合移动办公用户的需要；

（4）兼容性好：WiFi技术已经成为一种全球性的通信标准，几乎所有的智能设备都支持WiFi连接，无需担心设备兼容性的问题；

（5）覆盖广：较广的局域网覆盖范围，其覆盖半径可达100米左右，相比于蓝牙技术，Wi-Fi覆盖范围较广。

3、缺点

（1）覆盖范围限制：WiFi技术的信号覆盖范围有限，而且受到建筑物等物理障碍的影响更加明显，导致信号覆盖不稳定，不适用于网络复杂的情况；

（2）功耗比较大，不适合用电池供电；

（3）安全性也比较差容易被攻破（尤其公共wifi），并且由于使用的共享频段易受干扰（2.4G和5G），网络不太稳定，容易造成网络瘫痪。

（四）、性能对比

传输距离：

WIFI > ZigBee > 蓝牙

功耗：

WIFI > 蓝牙 > ZigBee，后两者仅靠电池供电即可满足要求。

传输速率：

WIFI > 蓝牙 > ZigBee

二、远距离无线传输技术

不同的协议，在支持的电磁波频率上有一定的区别，蓝牙、WiFi 和 ZigBee协议都可以工作在2.4GHz的ISM频段上。在射频性能上，会受2.4G信号的物理限制。例如同功率下，衍射性能就比不过更低频的电磁波，比如433MHz。所以在应用中，如果追求更远的通信距离，则应该使用频率稍低的无线模块。如果对传输速率有要求，才应该选择2.4G甚至是5.8GHz的产品。

（一）、GPRS/CDMA无线通信技术

GPRS(通用无线分组业务)是由中国移动开发运营的一种基于GSM通信系统的无线分组交换技术，仅在实际传送和接收时才使用无线资源。GPRS基于分组的交换方式，利用GSM基础设施将传输速度从9.6 kbit/s提高到100 kbit/s以上，是介于第二代GSM和第三代WCDMA系统之间的技术，通常称为2.5G。它是利用包交换概念发展的一种无线传输方式。包交换就将数据封装成许多独立的包，再将这些包一个一个传送出去，形式上有点类似寄包裹，其优势在于有资料需要传送时才会占用频宽，而且是以资料量计价，有效的提高网络的利用率。GPRS网络同时支持电路型数据和分组交换数据，从而GPRS网络能够方便的和因特网互相连接，相比原来的GSM网络的电路交换数据传送方式，GRRS的分组交换技术具有实时在线"按量计费"高速传输等优点。通用分组无线业务（general packet radio service）利用GSM基础设施提供速率高达100kbit/s分组数据业务的移动蜂窝接入技术。通用分组无线业务（GPRS）仅在实际传送和接收时才使用无线资源。GPRS基于分组的交换方式，将传输速度从9.6 kbit/s提高到100 kbit/s以上。GPRS是由第二代的GSM（全球移动通信系统）系统过渡到第三代的WCDMA系统的必经之路，所以它也被称为“2.5代技术”。

CDMA(是码分多址的英文缩写)由中国电信运行的一种基于码分技术和多址技术的新的无线通信系统，其原理基于扩频技术。如下图为典型GPRS系统结构图，通过监控中心与Internet相连，可以支持一些比较复杂的应用，另外支持的通信方式比较多，使用户可以随时随地以多种通信方式来监控实际应用点。该方案还可以让监控中心同时和多个GPRS模块通信，从而监控多个工作现场。

GPRS无线数据传输。GPRS模块，传输距离不受限制，传输数据大、安全稳定，通常用于远程数据采集传输。

（二）、4G通信技术

4G通信技术是第四代的移动信息系统，其中以正交频分复用技术(OFDM)最受瞩目，利用这种技术人们可以实现例如无线区域环路(WLL)、数字音讯广播(DAB)等方面的无线通信增殖服务，在智能通信设备中应用4G通信技术让用户的上网速度更加迅速，速度可以高达100Mbps。4G通信对于工业应用来说，具有信号覆盖面广，速度快等特点；但是较高的成本、功耗及运营资费，使其并不适用于小型传感器，一般应用于较大的集中器或者智能终端设备。

4G有四大关键性优势：高速数据速率、宽带传输、支持无线即时通讯、技术成熟兼容性高。

(1)高传输速率：目前4G无线传输的速度已经可以达到100Mbps；

(2)带宽优势明显:通讯速度对于带宽的要求非常高，在3G通信网络的基础上，进行大幅度的改造，每个4G信道会占有100MHz的频谱，相当于3G通讯网络的20倍以上;

(3)无线即时通讯:4G信息传输种类更加丰富，包括图片、音频、视频等都可以实时体验;

(4)兼容性更好:4G技术已经商用了好几年，其成熟性和稳定性几乎可以同任何网络进行互联，大多数种类的终端设备均可接入4G通讯网络。

（三）、LoRa

LoRa是美国Semtech公司研发的一种基于扩频技术的超远距离无线传输方案，是目前在低功耗广域网中最具代表性通讯技术之一，我们市面上见到的LoRa模块都是由Semtech公司的LoRa芯片基础上开发的。

1、传输距离：传输距离是衡量无线模块最重要的一个参数指标，LoRa模块在相同功率下，传输距离方面要比其他的无线模块远得多，相同的测量环境条件下Lora传输距离在5公里左右，而像普通的WiFi蓝牙无线模块的传输距离只有几百米。

2. 功耗：功耗也是衡量无线模块一个很重要的参数指标之一，功耗越低，则代表项目持续时间越长。LoRa模块在低功耗方面无疑是非常优秀的，而且在兼顾低功耗的同时，还能保证模块的超远距离的传输。

3. 灵敏度：LoRa无线模块的lora调制技术对信号进行独有的扩频功能，在等同的数据速率条件下，它的扩频调制方式可以获得比传统GFSK、FSK等调制方式高8-10dB的灵敏度。

4. 抗干扰能力：lora模块的采用的LoRa调制模式，这种调制模式拥有出色的扩频调制及前向纠错技术，甚至可以做到将数据从噪声中分辨提取出来；相比较传统的FSK、GFSK等调制模式，具有更强的抗干扰能力。

5.在保持了低功耗的同时，增加了通信距离和网络效率；它在同等发射功率下比传统的无线射频通信距离扩大3-5倍。LoRa通信具有成本低，通信距离远，网络部署灵活等特点，但是需要考虑通信速率慢，需自建网络等问题；

（四）、NB iot

窄带物联网（Narrow Band Internet of Things, NB-IoT）是物联网（IoT）领域一个新兴的技术，支持低功耗设备在广域网的蜂窝数据连接，也被叫作低功耗广域网(LPWAN)。

NB-IoT基于蜂窝的窄带物联网，是3GPP LTE Release 13的新增网络协议，与现有LTE网络兼容。是GSM网络的替代方案之一。未来还可以进一步升级满足5G需求，成为5G的一部分。在同步通信要求比较高的情况下比较适用，延迟短，传输数据量大的优势让它可以频繁进行通信。也就是因为适用于这种频繁通信场合，所以在低功耗方面不具备优势，同时节点成本也比较高。

（1）广/深覆盖：比GPRS覆盖增强20dB+

技术点1：上行功率谱密度增强17dB

技术点2：重复+编码 6~16dB注：GSM终端发射功率最大可以到33dBm

（2）低功耗：基于AA电池,使用寿命可超过10年

（3）低成本：终端芯片低至$1

关键技术1：180kHz窄带系统，基带复杂度低

关键技术2：低采样率，缓存Flash/RAM要求小（28 kByte）

关键技术3：单天线，半双工，RF成本低

关键技术4：峰均比低，功放效率高，23dBm发射功率可支持单片SoC内置功放PA，进一步降低成本

关键技术5：协议栈简化（500kByte），减少片内FLASH/RAM

(4) 大连接：50k+用户容量*/200kHz小区话务模型海量连接的特有系统设计

（五）性能对比

1、网关区别

NB-IoT，LORA，WIFI，蓝牙，zigbee，4G都是物理层的，这几个都需要芯片模组支持（硬件支持如sim卡）

不需要网关：NB-IoT，4G（芯片可以直接连上移动，联通，电信运营商）

需要网关：LORA，WIFI，zigbee（不能直接连上电信运营商，需要通过一个网关中转才能连上电信运营商）
蓝牙比较特别，是两个蓝牙设备之间互联

2、NB-IoT、4G区别

NB-IoT：低功耗，传输小数据，传输速度低，芯片模组和套餐便宜

4G：传输速度快和可以传输大的数据，但是功耗高，价格贵

3、NB-IoT、Lora区别

（1）技术特点不一样:

NB-Iot属于广域网的通讯技术，基于蜂窝技术，和我们的2G、4G一样，需要通过电信运营商（电信、移动、联通）的基站网络才可以正常使用。但NB-iot 不需要组网，是直接和云平台通讯，可以单独组成网络使用。

Lora是属据一种短距离的局域网无线通讯技术，基于线性调频扩频调制技术，和传统的ASK、FSK、Zigbee等一样，需要先组网，再通过网关的传输给云平台。Lora产品很少单独使用，一般是配合网关才可以正常使用。

（2）运行频段不一样

NB-IoT运营在授权频段，所谓授权频段也就是官方认可授权使用的，在电信网络的技术上工作，所以NB-Iot通讯需要安装SIM卡，而且NB-Iot的使用需要移动基站的支持，也就是NB-Iot网。不同的电信公司，其通讯的频率不一样，需要使用的SIM卡也不一样。

LoRa则工作在非授权频段，主要推广者是非官方的互联网公司，不需要基站，无需申请即可进行网络的建设，网络架构简单，运营成本也低。企业可以自主把控网络质量，对于网络覆盖可快速优化补充；还可以自主运营，把运营数据掌握在自己手中，根据业务需要扩展网络，相对自由。

（3）成本不一样

BOM成本：NB-IOT 和LORA的比较接近，随着市场的不断的竞争，目前的NB-Iot模块价格在15-25元。Lora模块的成本大概在15-30元之间。

运行成本: NB-Iot因为是基于电信网络工作的，在通讯基站本身基础上改造就可以，用不算太大的工作量就能建成网络。设备需要安装SIM卡，运营商可以掌握NB-IoT的数据通道并进行收费，在每个基站中，最少的投资资金也需要15000美金，运营成本较高。

而LoRa则属于企业独立建网，不依靠运营商就可完成LoRa网络部署，无需缴纳费用给运营商，不仅布设更快，而且成本更低，和ASK，FSK 一样，后续没有额外的费用。

（4）服务质量不一样

与NB-loT相比，LoRa技术在处理干扰、网络重叠、可伸缩性等方面具有独特的特性，抗干扰能力较强，且可实现多信道数据的并行处理，但无法提供与NB-loT相同的服务质量，只能够适用于要求比较少的场景中，不能对该技术有很高的服务质量要求，若想取得更高的服务质量，需要投入更多的资源。在NB-1oT技术之中，通过授权频段及同步协议，可为服务质量打下基础，用户体验更佳。

（5）电池寿命不一样

对于LoRa WAN协议，能够按照实际的应用场景，对节点的通讯频率进行合理调整，有效降低了运行能耗，不管是蜂值电流，还是休眠电流均比较小，有效延长了电池的使用寿命。

而蜂窝等同步协议的节点必须定期地联网，蜂窝的调制需要一个线性的发射器来产生调制信号，而一个线性的发射器需要的峰值电流比非线性调制多几个数量级，越高的峰值电流会消耗电池更多的电量。例如，现在市面上的手机工作时每1.5s必须与网络进行同步。在NB-IoT中，这种同步变少但是仍然在定期进行，这样就额外的消耗了电池的电量。

（6）应用不一样:

NB-iot适合于独立联网的传感器，例如，地磁，智能路灯，水表等。

Lora适合于局域网内组网，例如智能家居，安防报警，通过网关和云平台通讯。

（7）覆盖面不一样

在网络覆盖范围方面，NB-IoT的覆盖面更大，在密度较低的郊区，利用LoRa技术，传输距离只能达到15千米，在建筑密集的城市环境可以覆盖2公里左右。而利用NB-IoT技术，传输距离可达35千米，超过前者的两倍。

不过，在部署方面，LoRa要优于NB- loT。对NB-loT进行部署的时候，信号强度取决于4G/ITE的情况，在偏远地区或封闭区域的室内和地下环境，因NB-IoT网络无法部署，从而导致NB-iot信号差，无法工作。

综上所述，在物联网市场中，Lora和NB-Iot都属于低功耗的物联网无线通讯，都支持低功耗，电池工作。二者并无哪个更好，只是应用场景不同。对于LoRa技术，可以有效应用在网络部署中，而NB-loT技术的服务质量比较高，在公用网络值得推广使用。对于需要频繁通信、较短的延迟或者较大数据量的应用来说NB-IoT或许是更好的选择，而对于需要较低的成本、较高的电池寿命和通信并不频繁的场景来说LoRa更好。而且在不同的工作环境下Lora和NB-Iot可以互补，在NBIOT网络比较差的偏远地区，我们可以选择Lora局域网传输，再通过WIFI 或4G 发送给平台。