无线通信_通信无线设备有哪些_通信无线设计

1.什么是无线通信技术?

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无线通信是一种无需电缆即可实现通信的技术手段。 它利用电磁波信号可以在自由空间传播的特性进行信息交换。 近年来,无线通信技术发展最快,在信息通信领域应用最广泛。 与传统的有线通信相比,无线通信具有建设成本较低、无需物理电缆、无需大量人力建设有线有线网络等优势。 此外,无线通信对环境变化的适应性很强。 当网络需要扩展时,无需添加新的有线电缆; 当使用环境发生变化时,只需进行少量调整即可适应新环境的网络覆盖要求。 无线通信技术不仅包括家庭Wi-Fi网络和地铁卡NFC技术,还包括手机5G上网、卫星通信等广泛应用。 无线通信技术的发展将极大地推动信息通信领域的进步和发展。

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图1 无线通信技术无处不在

有线网络使用的传输介质一般为引导传输介质,如双绞线、同轴电缆(粗缆和细缆)、光纤等。相比之下,无线通信一般采用非引导传输介质电磁波,如无线电波波、微波、红外线等

①无线电波:频率范围为3KHz~1GHz的电磁波。 这些波很容易产生并且可以传播很长的距离。 这些波本质上是全向的,这意味着它们可以向各个方向传播。 由于它们具有易于穿透墙壁的特性,因此被广泛用于室内和室外之间的通信。 这些波通常用于 AM 和 FM 收音机、电视、蜂窝电话和无线 LAN。

②微波:频率范围为1GHz~300GHz的电磁波。 微波具有高频、波长短的特点。 它们在空气中的传播特性与光波类似,即沿直线传播。 当遇到障碍物时,它们会被反射或阻挡,无法穿透墙壁。 因此,微波通信的主要方式是视距(LOS)通信。 如果通信超出视距,则需要进行中继和转发。 微波本质上是单向的,这意味着它们只能沿直线传播。 这些波通常用于发送器和接收器、蜂窝电话、卫星网络和无线 LAN 之间的一对一通信。

③红外线:频率范围在300GHz~400GHz之间的电磁波。 红外线不能长距离传播,一般用于短距离通信。 这些波不能穿过墙壁等固体物体。 红外光最常见的应用是电视、DVD 播放器和立体声系统的遥控器。 红外通信技术早期存在多种标准,不同标准的设备无法相互通信。 为了解决设备互联互通问题,1993年成立了红外数据协会(IrDA),统一规定红外数据通信协议和规范。

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图2 各种电磁波的波长分布

随着无线通信技术的不断发展,无线通信越来越多地应用于物联网(IoT)领域。 LoRa、蓝牙、NFC等技术层出不穷,并由不同的组织管理。 例如,蓝牙技术由蓝牙联盟(Bluetooth Alliance)管理,而Wi-Fi技术则由备受好评的IEEE组织管理。 各种主流无线通信技术的优缺点也可以简单参考下表。

表1 各种无线技术的特点

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本文重点介绍Wi-Fi技术,它是无线通信领域最广为人知的技术,也是日常生活中使用时间最长的无线局域网。

2、最常见的无线通信技术:

无线网络技术

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说到无线通信技术,大多数人都会想到我们日常使用的Wi-Fi技术。 事实上,Wi-Fi技术是各种无线通信技术中应用最广泛、最受欢迎的技术之一。 Wi-Fi已经成为我们生活中非常常见的一部分,大多数商场、咖啡厅、快餐店等公共场所都提供Wi-Fi网络。 Wi-Fi 使我们的手机、平板电脑和电脑等电子设备能够连接到同一个无线网络。 与最初用于手机的蓝牙技术不同,Wi-Fi 具有更大的覆盖范围和更高的传输速率。 用户可以在Wi-Fi覆盖范围内快速浏览网页并随时随地接听、拨打电话。 借助Wi-Fi技术,我们可以拨打微信、浏览网页、收发电子邮件、下载音乐,而不必担心使用手机数据的速度慢和费用高。

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图3 Wi-Fi技术

IEEE电气和电子工程师协会位于美国纽约,是一个国际电子技术和信息科学工程师协会,也是全球最大的非营利性专业技术学会。 该协会为我们目前遵循的以太网标准建立了 IEEE802.3 工作组。

IEEE 802.3是一个制定一系列IEEE标准的工作组,其中大部分涵盖物理层和数据链路层(MAC)的有线以太网标准。 同时,该标准将LAN连接机制定义为CSMA/CD。 可以说,IEEE802.3标准为当前有线以太网的应用奠定了基础。

同样,Wi-Fi技术标准也是由IEEE协会制定并推出的。 IEEE802.11工作组及其制定的标准规范了Wi-Fi技术的应用,从而保证了当今无线Wi-Fi网络的广泛使用。

3、Wi-Fi技术的发展历史

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Wi-Fi 技术已成为当今世界无处不在的技术,为超过数十亿台设备提供 Wi-Fi 连接。 为了适应新的业务应用,缩小与有线网络带宽的差距,每一代Wi-Fi标准都在大幅提升速度。

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图4 Wi-Fi技术发展历程

1997年,IEEE制定了第一个无线局域网标准IEEE 802.11,数据传输速率仅为2Mbps,应用场景也相对较少。 但由于人们对无线网络便利性的需求日益增加,IEEE于1999年发布了IEEE 802.11b标准,它工作在2.4GHz频段,传输速率为11Mbit/s,是传统无线网络的五倍多。 802.11。 同年,IEEE另外发布了802.11a标准,采用与原标准相同的核心协议,工作频率为5GHz,最大原始数据传输速率为54Mbit/s,满足中等吞吐量(20Mbit/s) )真实网络的要求。 由于2.4GHz频段已经随处使用,使用5GHz频段给IEEE 802.11a带来了冲突较少的优势。

2003年,IEEE对作为IEEE 802.11a标准的OFDM技术进行了改造,使其在2.4GHz频段上运行,从而产生了IEEE 802.11g。 载波频率为2.4GHz(与802.11b相同),原始传输速度为54Mbit/s,净传输速度约为24.7Mbit/s(与802.11a相同)。

2009年发布的第四代Wi-Fi技术IEEE 802.11n也是对Wi-Fi技术发展产生重要影响的标准。 该标准对Wi-Fi传输和接入进行了重大改进,引入了MIMO、安全加密等新概念,以及一些基于MIMO的高级功能,如波束成形、空间复用等,传输速度达到600Mbit/s 。 此外,IEEE 802.11n也是第一个同时工作在2.4GHz和5GHz频段的Wi-Fi技术。

从Wi-Fi 4开始,无线网络的带宽终于突破了100M,超越了当时民用领域主流的100M以太网。 手机Wi-Fi上网速度首次超过当时使用的3G网络,Wi-Fi上网逐渐成为移动商务通信的主流。 2010年左右,Wi-Fi技术开始逐步进入民用场景。

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图5 Wi-Fi覆盖范围越来越广

移动业务的快速发展和高密度接入对Wi-Fi网络的带宽提出了更高的要求。 2013年发布的IEEE 802.11ac Wi-Fi 5标准引入了更宽的射频带宽(高达160MHz)和更高端的调制技术(256-QAM),传输速度高达1.73Gbps,进一步提高了Wi-Fi的吞吐量。 -Fi 网络。 此外,2015年IEEE 802.11ac Wave2标准发布,将波束赋形、MU-MIMO等功能推向主流,提升系统接入容量。 遗憾的是,IEEE 802.11ac仅支持5GHz频段的终端,削弱了2.4GHz频段的用户体验。

随着视频会议、VR/AR、移动教学等业务应用越来越丰富,Wi-Fi接入终端也越来越多。 物联网的发展带来了更多的移动终端接入无线网络,甚至以前接入终端数量较少的家庭Wi-Fi网络也将随着越来越多的智能家居设备接入而变得拥堵。 因此,Wi-Fi网络需要不断提升速度,同时还需要考虑是否能够接入更多的终端,以适应不断扩大的客户端设备数量以及不同应用的用户体验需求。

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图6 几代Wi-Fi技术差异

随着Wi-Fi技术的不断发展,新一代Wi-Fi技术需要更好地解决多用户接入的网络场景。 为此,IEEE802.11工作组于2014年开始制定新标准,并于2019年正式推出第六代Wi-Fi标准——IEEE802.11ax。该标准引入了上行MU-MIMO、OFDMA频分复用等技术、1024-QAM高阶编码,从频谱资源利用、多用户接入等方面解决网络容量和传输效率问题。 该标准的目标是与当今的Wi-Fi 5相比,将密集用户环境中的平均用户吞吐量提高至少4倍,并将并发用户数提高3倍以上。 下一章我们将重点介绍Wi-Fi6技术。

4. Wi-Fi 6技术基础分析

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Wi-Fi 6是目前商用的最新一代IEEE 802.11ax标准的缩写。 包括增加吞吐量和更快的速度、支持更多并发连接等。Wi-Fi 6技术的核心新特性如下。

Wi-Fi 6之前,数据传输采用OFDM模式,通过不同时段区分用户。 在每个时间段内,用户完全占用所有子载波并发送完整的数据包。

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图7 OFDM模式传输示意图

Wi-Fi 6引入了一种更高效的数据传输模式,称为OFDMA,通过将子载波分配给不同用户以及在OFDM系统中添加多个地址来实现信道资源的多用户复用。 从总时频资源来看,在每个时间片内,可能有多个用户同时发送。

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图8 OFDMA模式传输图

OFDMA相对于OFDM有三点改进:

1、更精细的渠道资源配置;

2.提供更好的QOS;

3、更多的并发用户和更高的用户带宽。

MU-MIMO利用信道的空间分集在相同带宽上发送独立的数据流。 与 OFDMA 不同,所有用户都使用全部带宽,从而获得复用增益。 将MU-MIMO技术引入无线AP中,可以实现AP与多个终端之间同时进行数据传输,大大提高了吞吐量。

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图9 MU-MIMO技术的吞吐量提升

Wi-Fi 6标准的主要目标是在多用户高密度场景下增加系统容量、减少延迟并提高效率,但更好的效率和更快的速度并不相互排斥。 Wi-Fi5 使用的 256-QAM 正交幅度调制每个符号传输 8 位数据。 802.11ax 使用的 1024-QAM 正交幅度调制每个符号传输 10 位数据。 从 8 到 10 的改进是 25%。 即与Wi-Fi5相比,Wi-Fi 6单个空间流的数据吞吐量提升了25%。

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图10 高阶调制技术1024-QAM带宽提升

Wi-Fi 6引入了一种新的同频传输识别机制,称为BSSColoring着色机制。 BSS颜色字段被添加到PH消息头中,以对来自不同BSS的数据进行“着色”,并为每个通道分配颜色。 ,此颜色标识一组不应受到干扰的基本服务集 (BSS)。 接收端可以及早识别同频传输的干扰信号并停止接收,避免浪费收发时间。 如果颜色相同,则认为是同一BSS内的干扰信号,传输会出现延迟; 如果颜色不同,则认为两者之间没有干扰,两个Wi-Fi设备可以在相同的信道和频率上并行传输。 这样设计的网络,那些颜色相同的通道彼此距离较远,此时我们使用动态CCA机制将这个信号设置为不敏感,实际上它们相互干扰的可能性较小其他。

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图11 BSS Coloring技术原理示意图

目标唤醒时间TWT(TargetWakeup Time)是Wi-Fi 6支持的另一个重要的资源调度功能,它允许设备协商何时以及多长时间唤醒,然后发送或接收数据。 此外,无线AP接入点可以将客户端设备分组到不同的TWT时段,从而减少唤醒后同时竞争的无线设备的数量。 TWT还增加了设备的睡眠时间,从而大大提高了电池供电终端的电池寿命。

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图12 TWT技术原理示意图

Wi-Fi 6技术的出现,意味着无线网络将迎来一个更高速、更稳定、更安全的时代。

5、Wi-Fi技术未来发展趋势

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随着Wi-Fi技术的不断发展,越来越多的家庭、办公室和教育场所依赖Wi-Fi网络。 同时,随着技术的进步,越来越多的应用场景对数据带宽的要求越来越高,例如抖音等直播平台、4K和8K视频、VR/AR、即时对战游戏(低带宽)等。时延要求(5ms以内)、远程办公、在线视频会议、云计算等,这些场景需要高带宽、低时延、高稳定性的Wi-Fi技术支持。

虽然Wi-Fi 6技术提升了高密度场景下的用户体验,但与上一代Wi-Fi 5技术相比,带宽的提升依然有限。 因此,下一代Wi-Fi技术需要更好地满足高带宽、高稳定性、低时延的要求。

2020年初,IEEE组织发布的最新Wi-Fi 6技术的扩展版本Wi-Fi 6E,最大的变化是在原有2.4G和6G频段的基础上扩展了6Ghz频段。 5G频段。 使用指定 6G 频谱的最多 7 个额外 160MHz 信道。

现代家庭中,Wi-Fi网络中往往有多个终端占用宽带资源,并且每个设备对宽带的要求不同。 如果2.4Ghz和5Ghz频率混合在一起,就会出现智能传感器、智能终端等低需求设备。 抢占带宽资源的情况会影响手机、电脑、智能电视等带宽要求较高的设备的网络连接体验。 Wi-Fi6E新增加的6GHz频段可以很好地改善这一点。

当然,Wi-Fi 6E并不完美。 较高的信号频率会进一步削弱信号的穿透力,其传播范围和穿墙能力也会进一步降低。 此外,新增加的6Ghz频段还增加了路由器的功率,使得Wi-Fi 6E路由器比Wi-Fi 6路由器消耗更多的电量。 同时,中国国内6GHz频段尚未正式开放,全面商用还需要一段时间。

与此同时,新一代IEEE 802.11be Wi-Fi 7技术即将投入商用。 Wi-Fi 7技术的重点是在增加带宽的同时确保低延迟。 根据标准,Wi-Fi7可以支持至少30Gbps的最大吞吐量,大约是当前Wi-Fi 6的三倍。同时,它带来了MIMO增强,可以工作在三个频率上同时,更高的调制、更低的延迟等,并且还计划添加Wi-Fi传感功能。

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图13 最新Wi-Fi技术发展史

6、Winnut无线通讯产品简介

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Winnut发布了WAP无线AP接入点和WAC无线AC控制器两类无线通信产品。

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图14 Winnut无线通讯系列产品全家福

Winnut WAP系列无线AP接入点根据工业企业用户的实际应用需求,配置了壁挂/面板、吸顶/挂装、室外三种安装方式。 产品支持最新的IEEE 802.11ax Wi-Fi 6技术,吸顶式、室外式还提供高密度型产品,满足大量用户的接入选择。 产品品种丰富、功能全面,可覆盖工业/企业客户的各种无线覆盖场景。

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图 15 Winnut 无线 AP 概述

Winnut WAC系列无线AC控制器根据网络规模最多支持512个AP点的统一管理。 同时支持流量控制、行为管理、网络安全、VPN隧道、无线AC等一应俱全的功能。 它是一种多功能出口设备。 同时,Winnut还将推出一体化云管理平台,可支持无线AP、无线AC、交换机产品的统一运维管理,大幅提升终端用户的维护效率。

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图 16 Winnut 无线交流控制器概述

Winnut WAP系列无线AP接入点与Winnut WAC无线控制器相匹配,以其灵活的安装方式、强大的软件性能、高可靠的硬件品质,可应用于工业/企业场景下的各种无线网络环境的建设。

七、结论

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随着技术的不断进步和互联网使用需求的不断增加,无线Wi-Fi技术得到了迅速发展。 从最初的IEEE 802.11b/g/n到现在的IEEE 802.11ac/ax,无线Wi-Fi技术不断提高其传输速率和覆盖范围,让人们更轻松地连接互联网。 无线AP/AC产品是无线Wi-Fi技术的重要载体。 它们不仅可以提供更加稳定、快速的网络连接,还可以满足企业、家庭、公共场所等不同场景的需求。

在当前无线Wi-Fi技术快速发展的环境下,为客户提供满足现场需求的解决方案非常重要。 Winnut专注于ICT领域的深耕。 目前已推出包括工业交换机+以太网交换机+无线通信在内的数据通信产品,为客户多样化的场景需求提供精准可靠的产品解决方案。 未来,温纳数据通信产品可与温纳安全产品、温纳计算产品深度联动,致力于为客户提供安全+通信+计算三位一体的一站式解决方案。

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场馆简介

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北京威努特科技有限公司(简称威努特)是国内工控安全行业的领军企业,中国国有资本创业投资基金旗下子公司。 凭借卓越的技术创新能力,成为全球六家获得国际自动化协会ISASecure认证的企业和首批国家级专精特新“小巨人”企业之一。

依托开创性、独创的工业网络“白色环境”核心技术理念,基于自主研发的全系列工控安全产品,服务于电力、轨道交通、石油石化等国家重要行业、市政、烟草、智能制造、军工等行业。 为用户提供全生命周期深度防御解决方案和专业安全服务。 截至目前,他们已为中国及“一带一路”沿线国家4000多家行业客户实现业务安全合规。

作为中国工控安全团队的国家队,万纳特积极推动产业集群建设和生态圈发展,牵头并参与工控安全、网络安全领域国家和行业标准的制定重大活动保障工作,始终以保障我国关键信息基础设施网络空间安全为己任,努力成为建设网络强国的中坚力量!

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作者 admin