电磁波

定义：电磁波是以波动形式传播的电磁场。相同方向且相互垂直的电场和磁场，在空间中传播的震荡粒子波，就是电磁波。电磁波的传播，不依赖于介质，就算在真空中，也可以传播。

分类：电磁波按波长由大到小的顺序为：无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、γ射线

电磁波具有波粒二象性，遵循两个公式：

电磁波波长λ=C/f（C是光速，λ是波长，f是电磁波频率，即频段）

电磁波能量E=hv（E是能量，h是普朗克常数，v是电磁波频率，即频率波长的，则光子能量小）。

无线电波

无线电波分为长波（波长在几公里至几十公里）、中波（波长在3公里至50米）、短波（波长在50米到10米）、微波（波长10米到1毫米）。

• 无线电台中的调频FM信号的频段为76-108MHz，属于中波、短波，绕射能力强，适用于广播、海上通信、环球通信。
• 频率高于300MHz的电磁波为微波波段，频率不同、波长不同、传输距离也各不相同。这类微波波长短，绕射能力差，往往用作视距（LoS）或者超视距中继通信。下面将分别介绍微波波段的几种代表性技术：WiFi、mmWave、UWB、Bluetooth、RFID、（NFC、ZigBee、LoRa、NB-IoT）这几种常见技术。前五种见于无线感知领域，后四种包括现在的5G、LTE等多用于无线数据传输，且NFC、Bluetooth、ZigBee多用于短距离通信，移动蜂窝网络技术（4G\5G\LTE、NB-IoT）、LoRa多用于远距离通信，并不多见于无线感知，故不展开多讲。

​ WiFi： 2.4 GHz和5 GHz。

• 工作在2.4 GHz 频段的协议：IEEE 802.11b/g/n/ax。

  14个信道（channels）：2.402GHz - 2.483Ghz，每个信道22MHz的带宽，包括20MHz的有效带宽和2MHz隔离保护带宽，最大的吞吐量为72.2 Mbps。整个14个信道中，只有1， 6，11三个信道不会相互覆盖，如下图所示：

  

  对比5GHz，2.4GHz的WiFi工作频率较低，根据f=1/t，说明传输速度较慢，但是根据 \(\lambda = \frac{c}{f} = ct，\)

  说明波长$\lambda$更长（10cm左右），穿墙能力更强（衍射比穿透占比多），覆盖范围更广。

• 工作在5 GHz 频段的协议：IEEE 802.11a/n/ac/ax。

  带宽以20MHz的倍数增加，信道的标号不是1-10而是4的倍数增加，各个信道都不会相互覆盖，如下图所示：

  

  工作频率相对高，带宽相对大，但波长短（6cm左右），以穿透为主（衍射少）所以能量损耗大，穿墙能力不强，适合近距离且同一个房间内的覆盖。

• 需要注意的是：

  • WiFi作为一种老牌无线感知媒介，相关领域的工作很多，很难做出特别新的贡献，而且因为其支持的设备分布过于广泛，基于日常环境下的实验会受到来自各方的信号干扰。

  • 由于Wi-Fi 标准使用了 5GHz频率，而欧洲军方的雷达系统也广泛运用这一频率(其中探测隐型飞机的雷达就使用这一频率)。如果民用的无线产品也使用这一频率，可能会对军事雷达和通讯产生干扰。因此，在欧洲出售的Wi-Fi产品必须具备TPS和DFS这两个功能。具体地，DFS（Dynamic Frequency Selection）为动态频率选择，即无线设备主动探测工作的频率上是否有雷达信号占用，并主动选择另一个频率，以避开军方频率的能力。如果能监测到雷达脉冲，则当前工作频率上的数据传输会被中止，并且寻找其它”空”频率进行重新传输。而TPC（Transmit Power Control）为传输功率控制，当无线设备的频率与军方的雷达倍频频率相同，若输出的无线功率过大，会影响军方雷达的运作与通讯。无线设备必须具备自动调整输出功率的能力，防止发射功率过大来干扰军方雷达。【所以往往在做基于WiFi的无线感知的时候会发现不同时期收集的CSI幅值不同，与Txpower adjustment有关】

30~300GHz的频域(波长为1～10毫米)，常用60GHz。

• 带宽高达273.5GHz（可以把带宽想象成车道，高带宽即车道宽，能同一时期并行过的车辆就会更多，能支持的数据传输量就大）但并不是说这些带宽都能用。美国FCC建议5G NR使用以下频段：24-25GHz、32GHz、70GHz、80GHz。除了规模化经济效益的考虑之外，有些频段受空气影响太大，毫米波传输损耗很严重（水蒸气引起的共振会吸收22GHz和183 GHz附近的电磁波，而氧气的共振吸收影响的是60GHz和120 GHz附近的电磁波。）

• 因为波长比5GHz的WiFi还要短，所以穿透时能量损耗更大，穿墙能力就更差了，其实其在大气中传播衰减已经很严重了（且受天气变化影响严重），所以往往需要面对面传输

• 波束窄，例如一个12cm的天线在9.4GHz时波束宽度为18°但94GHz则变成了1.8°，造成了两个结果：
  • 分辨率/解析率更高，可以分辨相距更近的小目标或者大目标里的细节部分。
  • 在电子对抗中难以截获（用于军用雷达）
  • 常用波束成形beamforming
• 设备贵，器件成本高

频谱范围很宽，3.1G-10.6GHz频段中7.5GHz的带宽频率为UWB所使用的频率范围，按照500MHz的载波带宽进行扫频（发射功率≤41.3dBm），不同于前面几种电磁波，UWB不采用正弦波，而是采用纳秒级冲击脉冲（不使用载波）。2006年8月于日本较早地开放了超宽带频段。

• 高速传输：UWB技术以非常宽的频率带宽来换取高速的数据传输（大范围扫频），并且不单独占用已经拥挤不堪的频率资源，而是共享其他无线技术使用的频带。
• 低功耗：即使带宽高，但由于其使用间歇的脉冲来发送数据，所以通信耗电很低（短距离通信时日常UWB发射机功率普遍低于1mW），民用UWB设备的功率一般是传统移动电话功率的1%左右。
• 高安全性，抗干扰：UWB信号的功率谱密度低于自然的电子噪声的功率谱密度，因此将其脉冲信号检测出来是一件非常困难的事，更何况编码的时候还对脉冲参数进行了伪随机，所以再军用上UWB具有低截获率、低检测率、高安全性的特征。换句话说，由于UWB信号能够很好地隐蔽在其他类型信号和环境噪声中，所以也不会与其他通信业务之间互相干扰。
• 易分离出多径分量：多径传输路径长度>(脉冲宽度*传播速度)，故UWB的多径信号再时间上不重叠，容易分离，且多径衰落<5dB（常规的衰落要到10-30dB）

• 定位精确：穿透能力强，地下也可做；UWB定位器可以给出相对位置，定位精度可达厘米级。下图反映了UWB和其他定位技术的对比：

  

• 设备便宜：全数字化实现，不需要复杂的subcarrier modulation & demodulation & filter，系统复杂度就大大降低了，现在的手机版本

• Decawave是目前已知唯一支持IEEE 802.15.4的UWB定位芯片厂商。他们提供低成本的芯片出售，零售价格在几美元。芯片型号是DW1000，符合IEEE 802.15.4-2011 UWB标准协议（在理想条件下，最大可测量范围为300m）。目前（1）美版iphone11及以后的机型支持UWB，用于隔空投送（AirDrop）功能里通过指向iphone即可传里面的定位和测距功能（越近的越先传）。（2）小米在2020年10月12日也推出了类似的技术，除了可以与手机联动也可与小米智能家居联动，“一指连”。（3）Samsung Galaxy Note 20 Ultra也支持类似功能，叫做Nearby Share。未来或许可以与AR技术联动，进一步提高定位精准度。（4）多用于无人机上的定位（5）用来检查楼房、桥梁、道路等工程的混凝土和沥青结构中的缺陷，以及定位地下电缆及其它管线的故障位置，也可用于疾病诊断。

2.4-2.485GHz ISM（工业，科学，医学）频段UHF无线电波，IEEE802.15协议，1Mbps传输速率和10m-100m的传输据率，低成本、近距离的老牌无线连接技术。需配对，可以一台主设备对多台从设备，具备射频特性，采用TDMA结构。BLE功耗较低，配对的PIN码并非绝对安全。但目前市面上的无线耳机、无线鼠标、智能穿戴很多还是基于蓝牙技术实现的，市场成熟度较高。

射频识别（Radio Frequency Identification）1940年该技术诞生，现在仍以电子标签的身份广泛用于日常生活中。

• 工作原理：标签进入阅读器后，接收阅读器发出的射频信号，凭借感应电流所获得的能量（切割磁感线）发送出存储在芯片中的产品信息（Passive Tag，无源标签或被动标签），或者由标签主动发送某一频率的信号（Active Tag，有源标签或主动标签），阅读器读取信息并解码后，送至中央信息系统进行有关数据处理。

• 无源标签工作在较低频段125KHz、13.56MHz等，常见于公交卡、二代身份证、学生饭卡

• 有源标签工作在900MHz、2.45GHz、5.8GHz等较高频段，可同时识别多个标签，能在百米之外与reader建立联系，比如高速公路ETC

• 半有源标签大部分情况下处于休眠状态，仅对标签中保持数据的部分供电，当标签进入reader识别范围后，reader先以125KHz低频信号在小范围内激活标签，再通过2.4GHz进行信息传递。先定位再传输。

• 往往认为UWB比RFID的精确度高，因为RFID没法解决integer ambiguity的问题，也就是当两个material之间的相位差是2Π的整数倍，则无法区分，而UWB可以。目前用于无线感知的一套比较专业RFID设备时用的Impinj R420 reader（902.75-927.25MHz），Impinj AZ-ET无源标签和Aline AZ-9662无源标签，外接一个8dBi增益的定向圆极化天线，读取的也是相位和RSS的变化。这里感知的原理并不是靠穿透信号，而是当标签与不同材料相连，标签天线电压也会发生相应的变化，而这种变化会反馈在阅读器接收信号的相位和RSS变化上。

近场通信，遵循NFCIP-1标准，通信距离≤10cm，运行频率为13.56MHz，传输速度为106kb/s,212kb/s或者424kb/s。既有主动模式也有被动模式，被动模式里只有主设备需要能量供应产生射频场。与RFID的区别在于，NFC把读写器和非接触卡功能都集成了，既可以读取也可以写入，传输距离也比RFID低。

遵循IEEE 802.15.4标准，2.4GHz，主要就是实现内组网adhoc，技术本质上是一种速率比较低的双向无线网络技术，并不常用于无线感知，多用于局域网传输。具有低功耗（2节5号电池可以工作半年到一年）、低成本（每块芯片2美元左右）、低速率（20-250kbps）、近距离（10-100m）、短时延（睡眠转工作状态只需15ms）、高容量（一个主节点最多可管理254个子节点，最多可组成65000个节点的大网）。

构建于蜂窝网络，只消耗大约180kHz的带宽，可直接部署于GSM网络、UMTS网络或LTE网络，以降低部署成本、实现平滑升级，也被叫作低功耗广域网(LPWAN)。绝大多数运营商使用900MHz 频段来部署 NB-IoT。把带宽收窄，就像把水聚集在小范围内，则同样的发送量可以达到更远的距离。NB-IoT具备四大特点：一是广覆盖，将提供改进的室内覆盖，在同样的频段下，NB-IoT比现有的网络增益20dB，相当于提升了100倍覆盖区域的能力；二是具备支撑连接的能力，NB-IoT一个扇区能够支持10万个连接，支持低延时敏感度、超低的设备成本、低设备功耗和优化的网络架构；三是更低功耗，NB-IoT终端模块的待机时间可长达10年；四是更低的模块成本，企业预期的单个接连模块不超过5美元。

LoRa就是远距离无线电（Long Range Radio），工作频段是433MHz、868MHz、915MHz ISM频段，是semtech公司创建的低功耗局域网无线标准，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（城镇2-5km、郊区15km），实现了低功耗和远距离的统一，它在同样的功耗下比传统的无线射频通信距离扩大3-5倍。传输速率能达到几百到几十Kbps，速率越低传输距离越长；

光波

• 红外线：波长约0.75微米至1毫米（6微米以上又称远红外，1.5微米以下又称近红外，之间的是中红外）
• 可见光：波长约 800 至 400 纳米。“可见光通信”系统可利用室内照明设备代替无线LAN局域网基站发射信号，其通信速度可达每秒数十兆至数百兆。好处在于只要在室内灯光照到的地方，就可以长时间下载和上传高清晰画像和动画等数据。该系统还具有安全性高的特点。用窗帘遮住光线，信息就不会外泄至室外，同时使用多台电脑也不会影响通信速度。由于不使用无线电波通信，对电磁信号敏感的医院等部门可以自由使用该系统。但是传送光线不能被阻挡，基本不具备通信穿透能力，波长太短导致容易受散射、反射、多径的影响很大。
• 紫外线：可见紫色光以外的一段电磁辐射，波长约在 10 至400 纳米范围
• X射线：波长约在 0.01埃 至 10 纳米.
• 伽玛射线及宇宙射线：通常波长更短，理论上可达无穷短

声波

定义：声波是指机械振动引起周围弹性介质中质点的振动由近及远地传播，是一种球形的阵面波。能产生振动的物体被称为声源，传递声波的良好的弹性介质有空气、水、金属、木头等，在真空状态中因没有任何弹性介质就不能传播声波。人耳可以听到的声波的频率一般在20Hz-20kHz之间，20kHz-1GHz的声波称为超声波（Ultrasound）。其感知范围在2-3m内，且认为比WiFi感知的精度更高，认为物理上的机械振动比电磁波的衰弱measure起来更准确。【结合以后的工作理解这句话：声波的衰弱具有明显的波动而不是单调下降，利用这种波动反而可以做一些判断】

参考资料

WiFi：https://blog.csdn.net/xiaozy115/article/details/100763710

毫米波：https://baike.baidu.com/item/%E6%AF%AB%E7%B1%B3%E6%B3%A2

UWB：https://tech.sina.com.cn/mobile/n/n/2019-09-17/doc-iicezueu6290130.shtml

https://baike.baidu.com/item/UWB/184309

蓝牙：https://baike.baidu.com/item/%E8%93%9D%E7%89%99

RFID：https://baike.baidu.com/item/%E8%BF%91%E5%9C%BA%E9%80%9A%E4%BF%A1/9741433?fromtitle=nfc&fromid=5684

Zigbee：https://baike.baidu.com/item/zigbee

NB-IoT：https://baike.baidu.com/item/NB-IoT/19420464

LoRa：https://zhuanlan.zhihu.com/p/158745939

光波：https://blog.csdn.net/suxinpingtao51/article/details/45197031

作者：刘雨桐

出处：https://isabelleliu630.github.io/posts/2021/04/Wireless%20Comparison/

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