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工业网络技术与Wi-Fi无线双频网络

作者: 来源: 日期:2015/6/24 20:54:24 人气:6 加入收藏 评论:0 标签:

从低于1GHz低功率无线网络,2.4GHz BT、ZigBee等低功耗网络,再来中长距离的Wi-Fi无线局域网络,从数字家居/IoT物联网的联机感测遥控、个人耳机音乐、语音远程监控,到笔记本、手机、平板等连网服务,为工业控制机台提供云端上传与大数据分析,进而为这些行动装置提供高清/4K的影音传输的跨界应用。


无线网络技术趋势


做为与物联网相连的主要骨干——无线网络通讯技术,如果依照联机距离、联机速率、所使用频段与功耗上来看,我们可以从仅20cm以内、0.4Mbps的近场感应通讯(Near Field Communication;NFC),推进到1~10公尺以内的Bluetooth,再推到联机距离10~30公尺的Z-Wave、ZigBee、ANT,以上属于802.15个人无线网络(PAN)的应用范畴。接下来联机距离从30~300米所谓房间或房屋内的应用,如联机速率从11~600Mbps、100~300m的802.11a/b/g/n Wi-Fi无线局域网络。

各种短中长无线网络之频段与联机规格。

   

双频╱三频802.11ac无线分享器。Nergear/D-Link/ASUS

如果导入5GHz频段像是802.11ac,甚至是60GHz频段的WiGig 802.11ad无线网络技术,搭配多天线收发技术,往往可以提供至少1.3Gbps,甚至高达7Gbps的网络传输速率,这也为许多具备高清/2K/4K分辨率的旗舰手机、变形平板、2合一笔电、与大尺寸数字电视之间,得以相互用无线网络的技术直接传送高质量影音视讯画面,以及进行外围的无线虚拟连接,创造出另一个跨装置的云端应用。


低功耗、短距离无线网络


先从联机距离最短、速度最慢的个人无线网络——像NFC、Z-Wave、ANT、ZigBee、BlueTooth等——谈起。


蓝牙技术最早由易立信(Ericsson)于1994年发起,起初应用于手机和配件,后来成立蓝牙协会吸引各大ICT厂商加入与推广。区分出:1.传统蓝牙(速度1~3Mbps,距离10~100米),作为讯息传递、装置联机;2.高速蓝牙(Bluetooth HS,8~24Mbps,距离10米),主攻数据交换与传输;3.低功耗蓝牙(Bluetooth Low Energy;BLE,亦称Bluetooth Smart),则是2010年针对穿戴式装置、IoT物联网或工业自动化之低耗电连网需求所提出,距离在30米以内,传输速度为1Mbps。


ANT是加拿大Dynastream Innovations公司所主导,使用钮扣电池可维持1年以上续航力,应用在体育健身、医疗保健、穿戴式装置等产品上。其传输速度为20Kbps,采自适应同步网络架构,确保各装置在传输时不受其它讯号干扰。而ANT+为ANT的延伸协议,可定义不同厂商产品的装置参数,以便互享传感器数据数据。


于2005年开始崭露头角的ZigBee协议,以IEEE 802.15.4标准规范之无线网状网络架构,具备低成本、低功耗特性,传输速度在250Kbps,距离10~20公尺,广泛应用在如家用灯控、家庭建筑及工厂等自动化,及无线感测网络(WSN)产品。其网络拓扑可支持Star(星状)、Cluster Tree(簇树状)、Mesh(网状)型态,被业界视为智慧建筑(Smart Building)、物联网(IoT)最广泛的协定之一。


ZigBee v1.2规范(又称ZigBee PRO或ZigBee 2007),涵盖了家庭自动化、智慧能源、通信服务、医疗保健、灯光控制(Light Link)、建筑自动化、网关器、以及Green Power(绿能)等协议;而ZigBee RF4CE协议则是针对消费性电子产品,以取代遥控器、输入装置为主。


Z-Wave则是针对家庭自动化遥控的低功耗无线传输协议,由丹麦ZenSys公司所开发,其设计的目的仅在于遥控家中电器、灯光控制,不需要太多数据流。最初使用868MHz的频段(欧洲)、传输速率仅9.6Kbps~40Kbps,凭借着低频(低于900MHz)无线电波的优势,在梁柱与隔间多的大房屋内也有很强的穿透性。


Z-Wave也流行到北美(908MHz)、日本(922~926MHz)、香港、澳洲、纽西兰与巴西(921MHz)。随后为了与ZigBee竞争,后续Z-Wave将传输速率提高到100Kbps。


针对无线感测网络(WSN)之节点间传输协议,除了ZigBee之外,另有ISA100、WirelessHART、WIA-PA、6LowPAN等嵌入式产品专用的通讯协议。以IETF(Internet Engineering Task Force)制定的6LoWPAN开放标准,支持IPv6,让无线路由器可休眠,甚至免网关器设置也能使装置相互连接,也广被ZigBee IP、ETSI M2M、ISA 100.11a、BLE等无线网络技术所采纳。


有鉴于这些被家庭建筑自动化采用的次GHz(Sub GHz)的无线网络技术(6LoWPAN、WirelessHART、ANT、RF4CE)各种彼此之间不兼容,需使用专属的网关器/网关芯片,Wi-Fi联盟也正在制定自己的次GHz低功率技术,称为802.11ah。


某Wi-Fi联盟厂家,从2012年就进行802.11ah芯片的设计,以915MHz频段、最大功耗12毫瓦(mW)与5毫瓦接收功耗传送无线讯号,即便到1公里外,仍可以100kbit/s的速率传送数据。采用现有的基础架构进行通讯,同时解决不同次GHz无线网络技术的互通性问题。IEEE于2013年7月提出规格草案,预计2015年底最迟2016年正式定案。


中长距离无线局域网络(Wi-Fi)发展与标准演进


1997年IEEE(国际电机电子工程学会),制定出802.11无线局域网络技术,使用2.4GHz ISM频段、FHSS(跳频展频)与DSSS(直接序列展频),BPSK、QSK与QPSK载波调变技术,最大传输速率为2Mbps。1999年采用5GHz频段、OFDM(正交分频多任务)调变技术802.11a规格与802.11b规格相继出现,速率提高至54、11Mbps,户内外联机距离加大到35、120~140公尺;同年Wi-Fi联盟也正式成立推广IEEE 802.11x无线网络技术与产品的相关认证。


802.11g于2004年正式定案,采2.4GHz频段与OFDM调变技术,联机速率提升到54Mbps,且维持跟既有802.11b兼容,也因此802.11g迅速普及,并进一步深入PDA、PMP、数字相机到智能手机、平板计算机等装置,促使Wi-Fi无线网络应用行动化,同时带动了家庭╱企业无线网关器/路由器(Wi-Fi Router)产品的发展。


2009年采用2.4/5GHz ISM频段、运用最新4x4 MIMO(多重天线收发)技术的802.11n规格推出,藉由频宽倍增至40MHz,以及16QAM、64QAM调变编码技术,单数据串流联机速率达150Mbps,若采用四数据串流(4x4 MIMO)设计,联机速率更高达600Mbps,至今仍是市占率最大的Wi-Fi应用规格。


于2014年1月定案的802.11ac规格,以5GHz(从4.9~6.0GHz)射频频段,OFDM正交分频多任务、QAM256载波调变及波束成型(Beamforming)技术,传输速率达到1.3Gbps(3x3数据串流)~7Gbps(8x8数据串流/160MHz),足可实时传输高清影音(Full HD)甚至4K(3840x2160)影音串流规格。因802.11ac的5GHz讯号散射与穿透能力较802.11n还差(联机距离30m vs 70m),当802.11ac网卡╱装置无法搜寻到5GHz频段上以802.11ac最高速连接时,会切回5GHz/802.11n模式,甚至降频段到2.4GHz,以802.11n的联机模式进行无线传输。


网通芯片/网卡设备厂商,推出双频802.11ac无线分享器,是以提供至少2x2 802.11n(300Mbps)+2x2 802.11ac(867Mbps),或者3x3 MIMO 802.11n(450Mbps)+3x3 MIMO 802.11ac(1300Mbps),总服务频宽达1167~1750Mbps为规格诉求;也就是能接受802.11ac与802.11n的无线装置连接,并各自以867Mbps~1.3Gbps、300~450Mbps的规格最高速率去服务。


这并不代表单一802.11ac或802.11n装置能够独享、用到那么高的联机速率(频宽),因为受限于功耗因素,坊间的Wi-Fi行动装置大多只有2T2R2Stream的设计。


博通路由器/网卡芯片,还支持一种在2.4GHz频段的802.11n也能使用QAM256载波的专利调变技术,使得802.11n传输速率提升33%。而像NetGear Nighthawk X6 R8000、友讯(D-Link) DIR-890L AC3200以及华硕(ASUS) RT-AC3200六天线三频无线路由器,则是设计了两套可独立运作的3x3 MIMO 802.11ac收发模块,其中一个是双频802.11n/ac混用模块,另一个则专供3x3 802.11ac专属通道(所谓多出一频意义在此),总操作频宽为2x 1300 + 600一共3200Mbps。


英特尔已推出Dual Band Wireless-AC 7260、Wireless-AC 8x70等网络卡。搭着主机板与笔电出货。支持802.11ac规格的手机╱平板,有Google Nexus 5、宏达电(HTC) New One(M7/M8/M9)、SONY Xperia Z1/Z2/Z3/Z4、三星Galaxy S4/S5、红米NOTE等智慧手机均支援。


至于工业用的无线路由器产品,多采用金属材质的强固型防水防潮设计,以利于在潮湿、宽温的环境下运作;规格上不仅要支持802.11a/b/g/n/ac等无线网络标准,更着重传输能力、稳定性与扩充性。因此会采用MIMO(2T2R/3T3R…)等多重天线、多角度的收发能力设计,并额外提供功率放大天线的选购。


同时大多工业网通产品都具备PoE(Power over Ethernet,以太网供电)的设计,提供一到多组PoE供电埠,以符合IEEE 802.3at-2009的PoE规范(PoE+),每埠至少30W输出功率,经过100米CAT-5电缆线后,PD端装置可收到至少25.5W的大电力,以支持需要更大电力的高速无线网通产品



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