无线通信“全家福”：谁才是传输界的“扛把子”？

一文了解全部常用的无线通信技术

ZZQ-ZZQ

2255人浏览 · 2025-05-31 07:45:30

ZZQ-ZZQ · 2025-05-31 07:45:30 发布

【常用的无线通信技术】

低功耗广域网（LPWAN）由NB-IoT、LoRa、LTE-M、sigfox 等组成

【无线通信的基本原理】

无线通信的核心是通过电磁波传递信息

载波：载波是指被调制以传输信号的波形，一般为正弦波。

载波信号：载波信号就是把普通信号（声音、图象）加载到一定频率的高频信号上，在没有加载普通信号的高频信号时，高频信号的波幅是固定的，加载之后波幅就随着普通信号的变化而变化（调幅），还可以调相，调频。载波信号一般要求正弦载波的频率远远高于调制信号的带宽，否则会发生混叠，使传输信号失真。

载波信号的作用：将源信号调制到其他频率上去（承载信号），作用包括：
        1、减小传输中的噪声（低频信号传输易受干扰）；

        2、频分复用（FDM），将不同的信号调制到不同的载波频率上，使它们可以在同一信道中同时传输而不会相互干扰。

        3、可传播更远距离，有利于接收。高频信号在传输过程中具有更好的方向性，因此通过高增益定向天线（如抛物面天线、相控阵天线）实现窄波束和精准方向性。

说人话版本：

1、在嘈杂的房间里用高音调说话（高频信号），别人更容易听清楚你的声音，而不会被低频的背景噪音淹没。

        2、就像一条高速公路上有多条车道，每辆车（信号）在自己的车道（频段）上行驶，不会与其他车发生碰撞（干扰）。

5GHz WiFi穿透力低的原因：

        1、障碍物对高频信号的影响：

        高频信号（如5GHz）的波长较短，当遇到障碍物（如墙壁、家具）时，更容易被吸收或反射，导致信号衰减。低频信号（如2.4GHz）的波长较长，能够更好地绕过障碍物或穿透障碍物，因此穿透力更强。

        2、空气衰减：

        高频信号在空气中传播时，能量衰减更快。这是因为高频信号更容易受到空气分子、湿度等因素的影响。低频信号的波长较长，能量衰减较慢，因此可以传播更远。

问：如何直观感受波长的长与短？

答：波长是一个物理概念，表示波在一个周期内传播的距离。波长 = 光速 / 频率

想要直观感受波长，可与水波进行类比：

如果你向水中扔一块石头，会产生水波。水波的波长可以通过肉眼观察到：

长波长的水波看起来更平缓，传播距离更远。

短波长的水波看起来更密集，传播距离较短。

高频和低频信号对比

特性	高频（＞3GHz，如5GHz，毫米波）	低频（<1GHz，如433MHz）
传输距离	短（100m~1km）	远（1km~10km+）
穿透能力	弱（易被遮挡）	强（可穿墙）
带宽/速率	高（100Mbps~Gbps）	低（kbps~Mbps）
抗干扰能力	较强（频谱干净）	较弱（易受干扰）
天线尺寸	小（适合小型设备）	大（需更大空间）
适用场景	5G、Wi-Fi 6、卫星通信	LoRa、遥控、物联网

【蓝牙】

蓝牙（经典蓝牙）工作原理：

蓝牙技术遵循IEEE802.15.1标准，工作在2.4GHz的ISM（工业、科学、医学）频段。这个频段是全球通用的免费频段，就像公共的“电波通道”，任何符合标准的蓝牙设备都能在这个频段上“通行”，无需额外申请使用许可，大大降低了技术应用门槛。

蓝牙设备之间通过无线电波进行数据传输，其过程类似两人对话，只不过对话媒介变成了电磁波。为了确保数据传输稳定，蓝牙采用跳频扩频（FHSS）技术。

在复杂的无线环境中，其他无线设备可能也在使用这个频段，就像一个嘈杂的大房间里有很多人在说话，不断切换频道能有效避免干扰。跳频扩频技术形象地说，就是在这个2.4GHz频段里，一共有79个不同的“小房间”（频道），每个“小房间”的带宽为1MHz。蓝牙设备在通信时，会像一个忙碌的穿梭者，不断在这79个“小房间”里快速切换。

蓝牙MAC地址：48位（6字节）

之前写过的蓝牙博客：

不同版本的BLE和WiFi有什么区别？_ble5.3 速率-CSDN博客
 从实例出发，讲解BLE专业调试工具nRF Connect_自定义beacon格式-CSDN博客

注意：上述蓝牙为经典蓝牙，BLE低功耗蓝牙详见另一篇文章：Ble低功耗蓝牙开发基础_ble开发基础知识-CSDN博客

【Wi-Fi】

Wi-Fi的工作频段：

【蜂窝网络】

蜂窝网络是一种无线通信网络架构，其核心思想是将覆盖区域划分为多个小区域（称为“蜂窝”或“小区”），每个小区由一个基站提供服务，相邻小区使用不同的频率以避免干扰。当用户移动时，通信会从一个小区切换到另一个小区，这个过程称为切换。这种设计可以高效利用频谱资源，支持大量用户同时通信，并实现广域覆盖。

蜂窝网络大家可能听说的不多，但4G、5G这些已经是如雷贯耳。这里的G是generation的首字母，表示“代”。

表：蜂窝网络演进与 1G 到 5G 技术对比

代际	时间	核心技术	特点	典型标准	多址技术
1G	1980 年代	- 模拟信号传输（如 FM 调频）	- 仅支持语音通信。 - 信号质量差，容量低。 - 覆盖范围有限。	AMPS（美国）、 TACS（欧洲）	FDMA (频分多址)
2G	1990 年代	- 数字信号传输（如 GMSK）	- 支持语音和短信（SMS） - 引入数据通信（如 GPRS、EDGE）。 - 信号质量更好容量更大。	GSM(基于 TDMA）、 IS-95（基于 CDMA）	TDMA (时分多址) CDMA
3G	2000 年代	- 宽带 CDMA（WCDMA）。 - 高速数据通信（HSPA）。	- 支持多媒体服务（如视频通话、移动互联网）。 - 传输速率提升至几 Mbps - 全球漫游能力增强。	UMTS（基于WCDMA）、CDMA2000	CDMA (码分多址)
4G	2010 年代	- 正交频分多址（OFDMA）。 - 多输入多输出（MIMO）。 - 全 IP 网络。	- 数据传输速率大幅提升（几百 Mbps 到 1 Gbps） - 支持高清视频流在线游戏 - 延迟更低，网络容量更大	LTE、LTE-Advanced	OFDMA (正交频分多址)
5G	2020 年代	- 毫米波（mmWave）。 - 大规模 MIMO。 - 网络切片。 - 低延迟高可靠通信（URLLC）。	- 数据传输速率极高（可达 10 Gbps）。 - 延迟极低（1 毫秒以下） - 支持海量设备连接（每平方公里百万级设备）。 - 适用于 AR、VR、IoT 等新兴应用。	5G NR（New Radio）	OFDMA

关于多址技术的通俗讲解：

FDMA：就像一条高速公路，每条车道（频率）只允许一辆车（用户）行驶。

TDMA：就像一条单车道，不同车辆（用户）在不同的时间段使用车道。

CDMA：就像一条混合车道，所有车辆（用户）同时行驶，但每辆车有独特的颜色（编码），接收端可以通过颜色区分车辆。

OFDMA：就像一条多车道高速公路，每辆车（用户）可以同时使用多条车道（子载波），且车道之间不会相互干扰。

【GNSS全球卫星导航技术】

卫星导航的工作原理：

【M-Bus】

M-Bus是专为能源计量仪表设计的无线通信协议，它是有线M-Bus技术的无线版本。

EN 13757是一系列欧洲标准，定义了通用计量仪表（如水表、电表、气表）的通信协议。

无线M-Bus的多种传输模式

无线M-Bus的分层架构

无线M-Bus和其他无线通信技术的对比

【NB-IoT】

低功耗广域网的技术对比

注意：NB-IoT不支持网络无缝切换，在切换基站时需要先断开原有连接，重新建立新连接。

关于授权频段和非授权频段的补充介绍：

1. 授权频段：

        由政府或监管机构（如中国的工信部、美国的FCC）独家授权给特定运营商（如中国移动、Verizon）使用的频段。其他组织和个人无权使用，否则违法。因此网络质量较高。典型技术及主要频段：NB-IoT（如中国电信的800MHz、欧洲的900MHz）。

2. 非授权频段：

        无需政府授权，开放给公众自由使用的频段（但需遵守功率、占空比等规则）。
        典型频段：全球通用的ISM频段（如433MHz、EU 868MHz、US 915MHz、2.4GHz）

典型技术及频段：LoRa：完全基于非授权频段（如868MHz in EU, 915MHz in US）

【LoRa】

LoRa 全称 Long Range Radio，即长距离无线电。它最大特点就是在同样的功耗条件下比其他无线方式传播的距离更远，实现了低功耗和远距离的统一。

为什么同样在433MHz频段下，LoRa比普通433MHz传得远？

参数 普通433MHz模块（FSK） LoRa（433MHz）

发射功率 10mW~1W 10mW~1W（同频段合法限制）

接收灵敏度 -110dBm（@1kbps） -148dBm（@SF12, 300bps）

典型城市距离 100m~500m 2km~5km

典型开阔地距离 1km~3km 10km~20km

1. 独特的CSS调制技术扩频抗干扰：
        信号分散到宽频带，部分频段受干扰仍可解码。
        超高灵敏度（-148dBm），比普通FSK模块（-110dBm）远5~10倍。
2. 低速换距离：
        可调扩频因子（SF7-SF12），SF12时速率仅300bps，但距离达10km+。
3. 强穿透与多径抵抗：
        宽频信号绕开遮挡，城市中比窄带433MHz更稳定。
4. LoRaWAN协议优化：
        动态速率调整、前向纠错和中继网络，进一步提升覆盖。

参数	普通433MHz模块（FSK）	LoRa（433MHz）
发射功率	10mW~1W	10mW~1W（同频段合法限制）
接收灵敏度	-110dBm（@1kbps）	-148dBm（@SF12, 300bps）
典型城市距离	100m~500m	2km~5km
典型开阔地距离	1km~3km	10km~20km

LoRa和LoRaWAN的区别

LoRa仅包含链路层协议，并且支持单独使用（不使用LoRaWAN），适用于节点间的P2P通信

LoRaWAN（LoRa Wide Area Network）则是基于LoRa射频技术构建的一种低功耗、广域通信协议，用于连接和管理广域范围内的LoRaWAN设备。

小结：LoRa是一种射频通信技术，LoRaWAN是基于LoRa射频技术的一种标准通信协议，类似于网线和TCP/IP的关系。

对比项	LoRa	LoRaWAN
层级	物理层（PHY）	网络协议（MAC + 网络层）
标准化	Semtech 私有技术	LoRa Alliance 开放标准
通信方式	点对点（P2P）或私有协议	标准化星型网络（终端-网关-云）
功能	仅无线信号调制	包含设备认证、加密、ADR（速率自适应）等
典型应用	私有物联网、实验性通信	大规模物联网（如智能表计、农业监测）

技术	物理层（PHY）	协议层（完整栈）
Wi-Fi	802.11 的无线信号调制	802.11 + TCP/IP + 应用层
LoRa	Chirp Spread Spectrum	LoRaWAN（含 MAC 和网络层）
蓝牙	2.4 GHz FHSS/GFSK	Bluetooth 协议栈（L2CAP 等）

即：Wi-Fi = IEEE 802.11 物理层 + 协议层（完整网络栈）
蓝牙 = BLE = BBluetooth LE物理层（PHY）+ 协议层
LoRa = LoRa PHY（CSS调制）
LoRaWAN = LoRa PHY + LoRaWAN协议栈

参考：百度安全验证
 lorawan与lora的区别_交换机wan口和lan口的区别-腾讯云开发者社区-腾讯云

【LTE-M】

LTE-M、Cat M1/2、LTE Cat M1 指的是同一个东西，LTE-M是官方称呼，很多技术文档使用的是Cat M

注意：LTE-M和LTM Cat 1、LTM Cat 4不是同一个东西，LTE-M属于LPWA范畴，而LTM Cat 1/4属于4G范畴（虽然LTE-M和4G也有关系），具体区别在结尾介绍

注意：LTE-M和LTM Cat 1、LTM Cat 4不是同一个东西，LTE-M属于LPWA范畴，而LTM Cat 1/4属于4G范畴（虽然LTE-M和4G也有关系）

LTE Cat 1/4：

Cat 1：属于传统LTE终端类别，支持上行/下行速率约 10 Mbps/5 Mbps，带宽为 20 MHz，适合中等速率、低延迟应用（如穿戴设备、共享单车等）。
Cat 4：更高性能的终端，速率可达 150 Mbps（下行）/50 Mbps（上行），主要用于早期4G手机或高速物联网设备。
依赖传统LTE网络，无需额外基站升级。

Cat M1（eMTC）：

专为物联网（IoT）优化的低功耗广域（LPWA）技术，属于 3GPP Release 13。
带宽仅 1.4 MHz，速率更低（1 Mbps上下行），但支持 深度覆盖 和 超低功耗（电池寿命可达数年）。
需要基站软件升级支持，但与LTE网络共存。

特性	LTE Cat 1	LTE Cat 4	Cat M1	Cat M2 (未商用)
带宽	20 MHz	20 MHz	1.4 MHz	5 MHz
速率	10 Mbps / 5 Mbps	150 Mbps / 50 Mbps	~1 Mbps	~4 Mbps (理论值)
功耗	中等	较高	极低（省电模式）	极低（优化更佳）
覆盖增强	无	无	支持（穿透性强）	支持（与M1类似）
成本	较低	较高	极低（简化硬件）	低（但无规模效应）
移动性	支持高速移动	支持高速移动	支持中低速移动	支持中低速移动
语音支持	支持（VoLTE）	支持（VoLTE）	可选（VoLTE）	可选（VoLTE）
应用场景	中速IoT、语音	高速设备（摄像头）	低速传感器、电表	中低速IoT（未商用）

以移远为例：

【sigfox】

相比LoRa、NB-IoT、LTE-M，sigfox不常用，此处不详细介绍

【Mioty】

Mioty是 新一代 LPWAN（低功耗广域网）技术

Sub-GHz频段：频率低于 1 GHz 的无线通信频段（通常为 300 MHz ~ 1 GHz）, 主要包括：

        433 MHz（欧洲、亚洲）

        868 MHz（欧洲）

        915 MHz（北美、澳大利亚）

Sub-GHz与ISM频段的关系：

        Sub-GHz 频段是 ISM 频段的一部分，但并非所有 Sub-GHz 频段都属于 ISM

参考：XML全文阅读—中国知网

【IrDA】

通过光波传输，同时收发会产生干扰，因此采用半双工通信模式

IrDA通信与红外遥控的区别

IrDA通信波特率

【RFID】

【NFC】

NFC 是 RFID 的一个分支，对比如下：

技术	定义	技术起源
RFID	利用无线电波非接触式识别物体的技术（包含多种频段和协议）	1940年代军用，1970年代商用化
NFC	基于高频RFID（13.56 MHz）的增强协议，支持双向通信与数据交换	2002年由Philips、Sony等公司共同开发

对比维度	RFID	NFC
通信距离	几厘米~数十米（依频段和功率）	0~10 cm（通常≤4 cm）
工作频段	低频（125 kHz）、高频（13.56 MHz）、超高频（860-960 MHz）	仅高频（13.56 MHz）
通信方向	单向（标签→读写器）为主	双向（设备间可互传数据）
协议标准	ISO/IEC 18000 系列（分频段）	ISO/IEC 14443 + ISO/IEC 18092
供电方式	无源（被动式）或有源（主动式）	无源（依赖读写器供电）或内置电源
典型应用	物流追踪、门禁卡、动物芯片	手机支付（Apple Pay）、智能门锁、文件传输

NFC 本质上是 RFID 的高频扩展：
- NFC 基于 ISO/IEC 14443（高频RFID标准），并扩展了 ISO/IEC 18092 协议以实现设备间交互。
- 所有 NFC 设备兼容高频 RFID（如手机可读取RFID门禁卡）。
RFID 是更广泛的技术范畴：
- 包含低频（LF）、高频（HF）、超高频（UHF）等多种技术，而 NFC 仅聚焦高频。

之前写了一篇关于NFC标签的实际使用教程：花样玩转NFC标签：一键触控音乐播放新体验_qq音乐nfc卡贴-CSDN博客

【ZigBee】

【UWB】

超宽带（Ultra Wide Band, UWB）与Wi-Fi、蓝牙同属短距通信技术范畴。其核心技术在于采用纳秒级非正弦波窄脉冲进行数据传输，而非传统通信技术使用的正弦载波。这种独特的传输方式使UWB具备超宽频谱特性，其信号带宽可达500MHz（最高有1GHz）以上，远超常规无线技术。

补充：时域中的信号特征与频域中的特性互为反比。即信号的持续时间（脉冲宽度）越短，其在频谱上的覆盖范围越大。

在IEEE802.15.4-2011中规定了UWB的信道划分，其中内容如下：

其中Band group表示了表示相邻的UWB中心频率序列：band 0为亚千兆赫(sub-gigahertz)信道,band 1 为低频带UWB（low-band）信道，band 2为高频带（high-band）信道。

主要技术指标：
        频率范围：3.1GHz~10.6GHz；
        系统功耗：1mW~4mW；
        脉冲宽度：0.2ns~1.5ns；
        重复周期：25ns~1ms；
        发射功率：<-41.3 dBm/MHz；
        数据速率：几十到几百Mb/s；
        分解多路径时延：≤ 1ns；
        多径衰落：≤ 5dB；
        系统容量：大大高于3G系统；
        空间容量：1000kb/m2。

经典测距方法：TOF（Time Of Flight）飞行时间

（1）基于时间戳的计算方法
UWB模块从启动工作开始会生成一条独立的时间戳。假设标签 A 在其时间戳上的 TA1 时刻发起请求通信的脉冲信号，基站 B 在自己的 TB1 时刻收到标签 A 发送的脉冲信号，然后基站 B 又在 TB2 时刻发送一个响应性质的信号，该响应信号被标签 A 在自己的时间戳 TA2 时刻接收。这样就可以计算出脉冲信号在两个设备之间的飞行时间，而电磁波传播速度又是已知的（光速），那么就可以确定两个设备之间的距离 D 。

D = V*T = C(T1-T2) / 2

UWB标签的坐标计算方法：三边/角定位法

为什么大带宽UWB具有更高的定位精度：

UWB发展历程：

UWB的应用场景：

1. 定位找东西（手机、车钥匙）：苹果AirTag就是使用Find My网络+UWB方案
2. 通信应用，基于UWB技术的通信速度可达到1Gb/s。当传输距离很近时，UWB通信的速度优势更加明显。非常适合VR、手机文件传输、无线组网等领域。（多说一句，这里有点通感一体化的感觉了）。
3. 定位：智慧矿山

参考：百度安全验证
[1]靳明智.UWB+红外热释电技术在煤矿人机防撞系统的应用[J].煤矿机械,2025,46(04):176-179.