1、物聯(lián)網(wǎng)常用無(wú)線傳輸技術(shù)介紹 智能分析系統(tǒng)部 2018.4,1. 物聯(lián)網(wǎng)是什么？,物聯(lián)網(wǎng)（IOT：Internet of things：）是新一代信息技術(shù)的重要組成部分，也是“信息化”時(shí)代的重要發(fā)展階段。顧名思義，物聯(lián)網(wǎng)就是物物相連的互聯(lián)網(wǎng)。 物聯(lián)網(wǎng)用途廣泛，遍及智能交通、環(huán)境保護(hù)、政府工作、公共安全、平安家居、智能消防、工業(yè)監(jiān)測(cè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、路燈照明管控、景觀照明管控、樓宇照明管控、廣場(chǎng)照明管控、老人護(hù)理、個(gè)人健康、花卉栽培、水系監(jiān)測(cè)、食品溯源、敵情偵查和情報(bào)搜集等多個(gè)領(lǐng)域。 物聯(lián)網(wǎng)將是下一個(gè)推動(dòng)世界高速發(fā)展的“重要生產(chǎn)力”，是繼通信網(wǎng)之后的另一個(gè)萬(wàn)億級(jí)市場(chǎng)。,1. 物聯(lián)網(wǎng)是什么？,2. 無(wú)線通

2、信技術(shù)分類(lèi),物聯(lián)網(wǎng)常用 無(wú)線通信技術(shù),一. 短距離無(wú)線通信技術(shù),二. 廣域網(wǎng)無(wú)線通信技術(shù)（LPWAN：low-power Wide-Area Network，低功耗廣域網(wǎng)）,WiFi、Bluetooth、ZigBee、Z-Wave、RFID、NFC.,LoRa、NB-IOT、Sigfox、eMTC .,2.1 WiFi,什么是WiFi？ WiFi（WireleSS Fidelity：無(wú)線高保真），實(shí)際上是制定802.11無(wú)線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的組織，并非代表無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。俗稱(chēng)無(wú)線寬帶，是IEEE定義的一個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信 的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。,WiFi其實(shí)是無(wú)線局域網(wǎng)（WLAN）的其中一種非常重要的技術(shù)，因?yàn)閃LAN主

3、流采用802.11協(xié)議，所以大家通常以WiFi 來(lái)表示無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。 主要特性為： 速度快； 組網(wǎng)簡(jiǎn)單； 覆蓋范圍廣； 可靠性高,2.1 WiFi-2.4G頻段,IEEE 802.11b/g標(biāo)準(zhǔn)工作在2.4G頻段，頻率范圍為2.4002.4835GHz，共83.5M帶寬 劃分為14個(gè)子信道，每個(gè)子信道寬度為22MHz（20MHz有效帶寬+2MHz保護(hù)帶） 相鄰信道的中心頻點(diǎn)間隔5MHz ，相鄰的多個(gè)信道存在頻率重疊(如1信道與2、3、4、5信道有頻率重疊)，整個(gè)頻段內(nèi)只有3個(gè)（1、6、11）互不干擾信道 北美/FCC 2.412-2.461GHz(11信道) 中國(guó)/歐洲/ETSI 2.412-2.

4、472GHz(13信道) 日本/ARIB 2.412-2.484GHz(14信道）,2.1 WiFi-基礎(chǔ)網(wǎng),基于AP組建的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)： 必須有一個(gè)AP（Access Point：接入點(diǎn)）負(fù)責(zé)接入站點(diǎn) 有多個(gè)STA（Station：站點(diǎn)）接入到AP AP是網(wǎng)絡(luò)的中心，可以管理網(wǎng)絡(luò)的站點(diǎn) STA之間不能直接通信，數(shù)據(jù)都需要經(jīng)過(guò)AP的轉(zhuǎn)發(fā) 每個(gè)AP組成一個(gè)BSS AP要有一個(gè)SSID（Service Set ID），需要設(shè)置工作信道、秘鑰（如WAP） AP模式：AP有線上行，無(wú)線下行,接入控制 認(rèn)證與計(jì)費(fèi) 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā),2.1 WiFi-自組網(wǎng),Ad-Hoc（點(diǎn)對(duì)點(diǎn)）模式： 一組具有無(wú)線功能的設(shè)備之間為

5、數(shù)據(jù)共享而迅速建立起無(wú)線連接； Ad hoc模式網(wǎng)絡(luò)是臨時(shí)性的，無(wú)需依靠任何基礎(chǔ)設(shè)施的非標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)； 僅有兩個(gè)及以上STA組成，網(wǎng)絡(luò)中不存在AP，沒(méi)有嚴(yán)格的控制中心； 各設(shè)備自發(fā)組網(wǎng)，設(shè)備之間是對(duì)等的； 網(wǎng)絡(luò)中所有的STA之間都可以直接通信，不需要轉(zhuǎn)發(fā)； 當(dāng)結(jié)點(diǎn)要與其覆蓋范圍之外的結(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信時(shí)，需要中間結(jié)點(diǎn)的多跳轉(zhuǎn)發(fā)； 是一個(gè)動(dòng)態(tài)的網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)可以隨處移動(dòng)，也可以隨時(shí)開(kāi)機(jī)和關(guān)機(jī)，這些都會(huì)使網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)隨時(shí)發(fā)生變化,2.2 Bluetooth,簡(jiǎn)介：藍(lán)牙（Bluetooth）是一種基于IEEE802.15.1無(wú)線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，可實(shí)現(xiàn)固定設(shè) 備、移動(dòng)設(shè)備和樓宇個(gè)人域網(wǎng)之間的短距離數(shù)據(jù)交換，使用全球

6、統(tǒng)一開(kāi)放的2.4G的ISM波段，致力于在10100 m的空間內(nèi)使所有支持該技術(shù)的移動(dòng)或非移動(dòng)設(shè)備可以方便地建立網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系、進(jìn)行話音和數(shù)據(jù)通信。在智能家居、穿戴產(chǎn)品等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。 分類(lèi)： 經(jīng)典藍(lán)牙（BR/EDR） (1) BR（Basic Rate）： 1Mb/s (2) EDR（Enhanced Data Rate）： 3Mb/s 低功耗藍(lán)牙(BLE: Bluetooth Low Energy ): 20 Kb/s 雙模藍(lán)牙：同時(shí)具有經(jīng)典藍(lán)牙和BLE藍(lán)牙的模塊或設(shè)備,2.2 Bluetooth-版本演進(jìn),5. 0,相比4.0，2倍的速率提升，4倍的覆蓋，8倍的廣播信息,2016. 6. 16,

7、2.2 Bluetooth-頻帶,BR/EDR: 共79個(gè)數(shù)據(jù)信道，頻道間隔1M，其中32個(gè)廣播信道。 BLE: 共40個(gè)數(shù)據(jù)信道，頻道間隔2M，其中3個(gè)廣播信道。,2.2 Bluetooth-常用profile,Profile定義：定義了設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)一種連接或應(yīng)用的規(guī)則。簡(jiǎn)單理解為應(yīng)用層或者連接層協(xié)議。 基礎(chǔ)profile： （1）GAP（Generic Access Profile）： 該P(yáng)rofile保證不同的Bluetooth產(chǎn)品可以互相發(fā)現(xiàn)對(duì)方并建立連接，是其他藍(lán)牙規(guī)范的基礎(chǔ)。 （2）SDP（Service Discovery Profile）： 服務(wù)發(fā)現(xiàn)協(xié)議。藍(lán)牙設(shè)備之間查詢(xún)雙方支

8、持的profile或者服務(wù)。,2.2 Bluetooth-常用profile,2.2 Bluetooth-組網(wǎng)方式,微微網(wǎng)（Pico網(wǎng)）,微微網(wǎng)使用三個(gè)比特位給網(wǎng)內(nèi)從設(shè)備進(jìn)行編號(hào)，每個(gè)設(shè)備編號(hào)不同，每個(gè)微微網(wǎng)最多連接7個(gè)從設(shè)備。此外，在微微網(wǎng)中，從設(shè)備只能與主設(shè)備進(jìn)行通信，從設(shè)備之間不能通信。,多個(gè)微微網(wǎng)如果存在重疊區(qū)域，就形成了分散網(wǎng)，一個(gè)微微網(wǎng)的主設(shè)備，可以同時(shí)充當(dāng)另一個(gè)微微網(wǎng)的從設(shè)備,分散網(wǎng),2.3 ZigBee-簡(jiǎn)介,ZigBee 是建立在IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)之上，是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無(wú)線通訊技術(shù)。主要用于距離短、功耗低且傳輸速率不高的各種電子設(shè)

9、備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸以及典型的有周期性數(shù)據(jù)、間歇性數(shù)據(jù)和低反應(yīng)時(shí)間數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用。,2.3 ZigBee-協(xié)議模型,Z802.15.4定義了物理層（PHY）和媒體訪問(wèn)控制層（MAC）層，ZigBee定義了網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層規(guī)范。,2.3 ZigBee-組網(wǎng)方式,ZigBee網(wǎng)絡(luò)設(shè)備類(lèi)型 （1）協(xié)調(diào)器（ZC） -每個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)必須要有一個(gè) -初始化網(wǎng)絡(luò)信息，存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)信息 -啟動(dòng)和控制網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)認(rèn)證中心 （2）路由器（ZR） -允許其他網(wǎng)絡(luò)設(shè)備加入 -多跳路由，擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)覆蓋 -動(dòng)態(tài)路由，備份路由防止網(wǎng)絡(luò)擁擠 （3）終端節(jié)點(diǎn)（ZED） -采集數(shù)據(jù)，向路由節(jié)點(diǎn)傳遞數(shù)據(jù),Zigbee技術(shù)具有強(qiáng)大的組網(wǎng)能

10、力，可以形成星型、樹(shù)形、Mesh網(wǎng)狀型，可以根據(jù)實(shí)際項(xiàng)目需要選擇合適的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。 Mesh網(wǎng)狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)具有強(qiáng)大的功能，網(wǎng)絡(luò)可以通過(guò)多級(jí)跳的方式來(lái)通信，網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍可明顯增加，網(wǎng)絡(luò)還具備自組織、自愈能力；,2.3 ZigBee-應(yīng)用,ZigBee 已廣泛應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)鏈中的M2M 行業(yè)，如智能電網(wǎng)、智能交通、智能家居、金融、移動(dòng)POS 終端、供應(yīng)鏈自動(dòng)化、工業(yè)自動(dòng)化、智能建筑、消防、公共安全、環(huán)境保護(hù)、氣象、數(shù)字化醫(yī)療、遙感勘測(cè)、農(nóng)業(yè)、林業(yè)、水務(wù)、煤礦、石化等領(lǐng)域。,2.4 近距離通信技術(shù)比較,3 廣域網(wǎng)無(wú)線通信技術(shù),物聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展對(duì)無(wú)線通信技術(shù)提出了更高的要求，專(zhuān)為低帶寬、低功耗、遠(yuǎn)

11、距離、大量連接的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用而設(shè)計(jì)的LPWAN(low-power Wide-Area Network，低功耗廣域網(wǎng))也快速興起。 NB-IoT和LoRa是LPWAN最具有代表性的兩種無(wú)線通信技術(shù)，具有不同的技術(shù)和商業(yè)特性，也是最有發(fā)展前景的兩個(gè)低功耗廣域網(wǎng)通信技術(shù)。這兩種LPWAN技術(shù)都有覆蓋廣、連接多、速率低、成本低、功耗少等特點(diǎn)，都適合低功耗物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，都在積極擴(kuò)建自己的生態(tài)系統(tǒng)。 LoRa與NB-IoT是最有發(fā)展前景的兩個(gè)低功耗廣域網(wǎng) 通信技術(shù)。不過(guò)兩者之間到底有什么區(qū)別和不同？ 誰(shuí)又將更勝一籌占領(lǐng)LPWAN制高點(diǎn)呢？,3.1 LoRa-簡(jiǎn)介,LoRa （Long Range）是LPWA

12、N通信技術(shù)中的一種，是美國(guó)Semtech公司于2013年發(fā)布的一種基于擴(kuò)頻技術(shù)的超遠(yuǎn)距離無(wú)線傳輸方案。主要工作在全球各地的ISM免費(fèi)頻段（即非授權(quán)頻段），包括主要的433、470、868、915MHz等。其最大特點(diǎn)是傳輸距離遠(yuǎn)、工作功耗低、組網(wǎng)節(jié)點(diǎn)多。,LoRa采用了高擴(kuò)頻因子，從而獲得了較高的信號(hào)增益。一般FSK的信噪比需要8dB，而LoRa只需要-20dB。 其接受靈敏度達(dá)到了驚人的-148dbm，與業(yè)界其他先進(jìn)水平的sub-GHz芯片相比，最高的接收靈敏度改善了20db以上，體現(xiàn)在應(yīng)用上就是擁有58倍傳輸距離的提升。,另外LoRa還應(yīng)用了前向糾錯(cuò)編碼技術(shù)，在傳輸信息中加入冗余，有效抵抗多

13、徑衰落。雖然犧牲了一些傳輸效率，但有效提高了傳輸可靠性。,3.1 LoRa-網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),LoRa網(wǎng)絡(luò)主要由終端（內(nèi)置LoRa模塊）、網(wǎng)關(guān)（或稱(chēng)基站）、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器以及應(yīng)用服務(wù)器組成。應(yīng)用數(shù)據(jù)可雙向傳輸。 LoRa網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)是一個(gè)典型的星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在這個(gè)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，LoRa網(wǎng)關(guān)是一個(gè)透明傳輸?shù)闹欣^，連接終端設(shè)備和后端中央服務(wù)器。終端設(shè)備采用單跳與一個(gè)或多個(gè)網(wǎng)關(guān)通信。所有的節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)間均是雙向通信。,3.1 LoRa-終端設(shè)備分類(lèi),Class A：節(jié)點(diǎn)按需主動(dòng)上報(bào)數(shù)據(jù)，每一個(gè)終端上行傳輸后會(huì)伴隨著兩個(gè)下行接收窗口，平時(shí)休眠，只有在固定的窗口期才能接收網(wǎng)關(guān)下行數(shù)據(jù)。Class A的優(yōu)勢(shì)是功耗極低。,Cl

14、ass B：ClassB模式是固定周期時(shí)間同步，在固定周期內(nèi)可以隨機(jī)確定窗口期接收網(wǎng)關(guān)下行數(shù)據(jù)，兼顧實(shí)時(shí)性和低功耗，特點(diǎn)是對(duì)時(shí)間同步要求很高,Class C：該模式是常發(fā)常收模式，節(jié)點(diǎn)不考慮功耗，隨時(shí)可以接收網(wǎng)關(guān)下行數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)性好，適合不考慮功耗或需要大量下行數(shù)據(jù)控制的應(yīng)用，比如智能路燈控制。,3.1 LoRa-關(guān)鍵特性和優(yōu)勢(shì),目前LoRa網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)在世界多地進(jìn)行試點(diǎn)或部署。據(jù)LoRa聯(lián)盟年初的數(shù)據(jù)是有9個(gè)國(guó)家開(kāi)始建網(wǎng)，56個(gè)國(guó)家開(kāi)始進(jìn)行試點(diǎn)；截至目前最新公布的數(shù)據(jù)，已經(jīng)有17個(gè)國(guó)家公開(kāi)宣布建網(wǎng)計(jì)劃，120多個(gè)城市地區(qū)有正在運(yùn)行的LoRa網(wǎng)絡(luò)，如美國(guó)、法國(guó)、德國(guó)、澳大利亞、印度等等國(guó)家，荷蘭、瑞

15、士、韓國(guó)等更是部署或計(jì)劃部署覆蓋全國(guó)的LoRa網(wǎng)絡(luò)。,3.2 NB-IoT,NB-IoT：基于蜂窩的窄帶物聯(lián)網(wǎng)（Narrow Band Internet of Things, NB-IoT）成為萬(wàn)物互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)重要分支。NB-IoT構(gòu)建于蜂窩網(wǎng)絡(luò)，只消耗大約180KHz的帶寬，可直接部署于GSM網(wǎng)絡(luò)、UMTS網(wǎng)絡(luò)或LTE網(wǎng)絡(luò)，以降低部署成本、實(shí)現(xiàn)平滑升級(jí)。2015年9月， NB-IoT標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)運(yùn)而生；NB-IOT協(xié)議規(guī)范在2016年6月份的3GPP Release13版本凍結(jié)。 NB-IoT采用超窄帶、重復(fù)傳輸、精簡(jiǎn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議等設(shè)計(jì)，以犧牲一定速率、時(shí)延、移動(dòng)性性能，獲取面向LWPA物聯(lián)網(wǎng)的承載

16、能力。各運(yùn)營(yíng)商都已經(jīng)重點(diǎn)投入NB-IoT網(wǎng)絡(luò)的部署。,3.2 NB-IoT,3.2 NB-IoT-部署方案,帶內(nèi)部署(In-band operation) 適用于LTE頻段。利用LTE頻帶中間的資源塊選取200K做主載波來(lái)部署NB-IoT。 頻帶資源豐富，覆蓋較差 商用后期可能考慮,獨(dú)立部署(Stand alone operation) 適用于重耕GSM頻段。GSM的信道帶寬為200KHz，這對(duì)NB-IoT 180KHz的帶寬足夠了，兩邊還留出來(lái)10KHz的保護(hù)間隔； 頻帶資源豐富，覆蓋良好。,保護(hù)帶部署(Guard band operation) 適用于LTE頻段。利用LTE頻段間的保護(hù)帶選

17、取200K做主載波來(lái)部署NB-IoT。 頻帶資源少，覆蓋一般。 基本不考慮。,3.2 NB-IoT-網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),NB-IOT終端：通過(guò)空口連接到基站（eNodeB（evolved Node B ）。 eNodeB：主要承擔(dān)空口接入、小區(qū)管理等相關(guān)功能，并與IOT核心網(wǎng)連接，將非接入層數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給高層網(wǎng)元處理。NB-IOT可以獨(dú)立建網(wǎng)，也可以與EUTRAN融合建網(wǎng)（NB-IoT僅支持FDD，所以這里必須跟TDD融合建網(wǎng)）。 核心網(wǎng)：，承擔(dān)與終端非接入層交互的功能，并將IoT業(yè)務(wù)相關(guān)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到IoT平臺(tái)進(jìn)行處理。同理，這里NB-IOT可以獨(dú)立建網(wǎng)，也可以與LTE公用核心網(wǎng)。 IOT平臺(tái)：匯聚從各種接入網(wǎng)得到的數(shù)據(jù)，并根據(jù)不同類(lèi)型轉(zhuǎn)發(fā)至對(duì)應(yīng)的業(yè)務(wù)應(yīng)用服務(wù)器進(jìn)行處理。 應(yīng)用服務(wù)器：應(yīng)用服務(wù)器是IOT數(shù)據(jù)的最終匯聚點(diǎn)，根據(jù)需求對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。,3.3 LoRa VS NB-IoT,LoRa相對(duì)NB-IoT的好處是已經(jīng)有成熟的商用，而NB-IoT才剛剛