物联网通信技术

我正在参加「掘金·启航计划」

写在前面

• 本篇从物联网的定义讲述，开篇简要介绍了一些物联网通信技术，本篇最后向大家介绍了四种最火热的物联网技术。

• 本篇为LoRa物联网通信技术的首篇，笼统的介绍一些物联网技术。笔者才疏学浅，本篇如有缺点和疏漏在所难免，恳请广大读者批评指正。

物联网的定义

• 物联网最早是在1999年被提出的：通过射频识别（RFID）、RFID+互联网、红外感应器、、全球定位系统、激光扫描器、气体感应器等信心传感设备，按约定的协议，把物品与互联网连接起来，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。简而言之，物联网就是物物相连的互联网。

• 物联网的核心和基础任然是互联网，是在互联网基础上的延伸和扩展的网络。
• 物联网用户端延伸和扩展到了任何物品与物品之间，进行信息交换和通信。

• 物联网的概念在不同的地方有不同的理解，想得到绝对的统一是很难的，它是由技术的进步和特定的历史环境所决定的。

无线物联网通信技术

无线物联网技术分类

• 无线物联网技术中最关键的三种技术：无线通信技术、传感器技术和嵌入式系统技术。

下表为根据是否授权频段划分的物联网通信技术表

频段	短距离无线局域网	低功耗无线广域网
授权	无	eMTC、NB-IoT
非授权	Wi-Fi、BLE、ZigBee、LoRa、NFC、UWB	LoRa、Sigfox

下表为物联网通信技术的简要表述

无线物联网技术	EN	CH	解释
eMTC	enhanced Machine-Type Communication	增强型机器类型通信	基于LTE演进的物联网技术
NB-IoT	Narrow Band Internet of Things	窄带物联网	IoT领域一个新兴的技术，支持低功耗设备在广域网的蜂窝数据连接，也被叫做低功耗广域网（LPWAN）
Wi-Fi	Wireless Fidelity	无线网络通信技术	将可连接的网络设备以无线方式互相连接
BLE	Bluetooth Low Energy	低功耗蓝牙	蓝牙技术联盟设计和销售的一种个人局域网技术、旨在用于医疗保健、运动健身、信标、安防、家庭娱乐等领域的新兴应用。
ZigBee	ZigBee Technology	紫蜂技术	主要用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输以及典型的有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据传输的应用
LoRa	Long Range（Wireless Technology）	罗拉	远距离、抗干扰能力强、低功耗、大容量、独立组网轻量级和低成本的远距离无线物联网传输技术
NFC	Near Field Communication	近场通信	一种短距离的高频无线通信技术
UWB	Ultra Wide Band	超宽带	一种无线载波通信技术，利用纳秒级的非正弦波窄带脉冲传输数据，因此其所占的频谱范围很宽。该技术具有系统复杂度低、发射信号功率谱密度低、对信道功率谱密度低、对信道衰落不敏感、截获能力低、定位精度高等优点，尤其适用于室内等密集多径场所的高速无线接入。
Sigfox	Sigfox	---	Sigfox是一种低成本、可靠和低功耗的解决方案，用于连接传感器和设备，通过专用的低功耗广域网络，致力于连接千千万万的物理设备，并使物联网真正发生。

短距离无线物联网连接技术简介

蓝牙

蓝牙是一种无线技术标准，可实现固定设备、移动设备和楼宇、个人之间的短距离数据交换（使用2.4~2.285Hz的ISM波段的UHF无线电波）。蓝牙可连接多个设备，克服了数据同步的难题。从音频传输、图文传输、视频传输，再到以低功耗为主的物联网传输，蓝牙应用的场景也越来越广。

Wi-Fi

Wi-Fi技术已经越来越成为目前人们生活中的标配，不只是手机、计算机等，越来越多的物联网设备也支持Wi-Fi。人们目前所使用的Wi-Fi标准是由最早于1997年发布的802.11b演变而来的，802.11b的速率仅为2Mb/s，1999年提出的802.11g将速率提升至11Mb/s。目前最新的802.11ax（Wi-Fi 6）理论最大速率为10Gb/s左右。

NFC

NFC（近场通信）是一种短距离高频的无线电技术，属于RFID（射频识别）技术的一种，工作频率在13.56MHz，有效工作距离在20cm以内。其传输速率有106kb/s、212kb/s或者424kb/s三种。通过卡、读卡器以及点对点三种业务模式进行数据读取与交换。

ZigBee

ZigBee是一种可以工作在2.4GHz（全球流行）、868MHz（欧洲流行）和915MHz（美国流行）3个频段上的无线连接技术，分别具有最高250kb/s、20kb/s和40kb/s的传输速率，它的传输距离为10~75m，但可以通过Mesh继续增加。

UWB

UWB技术是近年来新兴的一项全新的、与传统通信技术有极大差异的无线通信技术，它无须使用传统通信*中的载波，而是通过发送和接收具有纳秒或微妙级以下的极窄脉冲来传输数据，从而具有3.1~10.6GHz量级的带宽。通过在较宽的频谱上传送极低功率的信号，UWB能在10m左右的范围内实现数百兆比特每秒至数吉比特每秒的数据传输速率。

下表为短距离无线连接技术对比表

对比项	NFC	UWB	Wi-Fi	蓝牙	ZigBee
标准	ISO/IEC 18000-3	IEEE 802.15	802.11n	5.0	3.0
频段	13.56MHz	3.1~10.6GHz	2.4/5GHz	2.4~2.485GHz	2.4GHz、868/915MHz
工作范围	<20cm	<10m	50~150m	100~300m	10~75m
最高速率	424kb/s	1Gb/s	150Mb/s（单载波）	2Mb/s	250kb/s
成本	低	高	高	低	低
应用范围	支付、门禁及智慧城市	雷达定位和图像系统	室内或校园环境、智能家居	智能穿戴、智能家居等	智能家居、医疗及智能楼宇

低功耗广域物联网 LPWAN

以LoRa、NB-IoT为代表的低功耗广域网（LPWAN）技术近年来已经是物联网领域最热门的部分。在一些场合，NB-IoT或LoRa成了物联网的代名词，仿佛一个项目没有和NB-IoT或LoRa有点关系都不算物联网项目。

作为LPWAN四雄的LoRa、NB-IoT、eMTC、Sigfox从一开始就重视标准化和产业生态的建设，而其他移动通信技术的发展也为其留下了应用场景空间。在最近的几年中，这四种LPWAN技术才刚刚崭露头角。

LPWAN基本的四大能力：广覆盖、大连接、低功耗、低成本。LoRa、NB-IoT、eMTC、Sigfox等LPWAN技术正在朝着这四大目标迈进。

LoRa

LoRa技术是一种扩频调制技术，也称为Chirp调制。扩频技术是一种用带宽换取灵敏度的技术，Wi-Fi、ZigBee等技术都使用了扩频技术，但是LoRa调制的特点是可以最大效率地提高灵敏度，以至于接近香农定理的极限。尤其是在低速率通信系统中，打破了传统的FSK窄带系统的实施极限。

LoRa特点

• 远距离

LoRa的字面意思就是远距离（Long Rang），有实例表明，LoRa可以支撑地面和近地卫星（600~1600Km）进行数据交换。

• 抗干扰能力强

LoRa能够实现远距离传输，除了灵敏度优势外，还有一个非常重要的因素是超强的抗干扰能力。LoRa具有低于噪声20dB依然可以通信的极限抗干扰技术，这是现有传统通信技术不具备的。

• 低功耗

LoRa技术最主要的应用是物联网，而物联网对于终端设备的适用寿命的要求非常高，在传统的电池供电下，许多应用都有5年甚至10年的工作寿命要求，电池的寿命直接影响用户体验，这就要求LoRa技术在应用时具有超低的功耗。超低功耗的实现主要由两方面决定，一方面芯片的硬件要具备低功耗；另一方面应用协议也要具备低功耗。

• 大容量

LoRaWAN协议的大容量是部署广域网的必要条件，广域网为去碎片化提供了有力支撑。在智慧社区的项目中，一个工业园区或一个住宅小区使用1~4个中小型LoRa网关可以实现全覆盖。

• 按需部署、独立组网

LoRa就是一个“长Wi-Fi”技术，其部署特点与Wi-Fi非常相似。LoRa部署方便且可以独立组网，哪里有需要就在哪里建网。

• 轻量级、低成本

硬件简单、没有专利和入网许可等成本、部署实施简单、低成本

低成本：LoRaWAN模块量产价格已经达到3美元并逐渐接近2G模块的价格；网关根据工作范围和外壳防尘、防水、防雷等级别不同，价格从几百到几千元人民币，远远低于NB-IoT、eMTC等其他物联网无线技术基站，且因为LoRa传输距离远，需要基站数量少。

• 抗频偏（抗多径、抗多普勒、定位测距）

LoRa使用扩频技术，提供了抗多径和衰落的能力，使其非常适合在城市和郊区环境中使用。LoRa具有较好的抗多普勒特性，是高速移动状态下稳定通信的优选物联网技术。LoRa的一个固有特性是能够线性区分频率和时间误差。LoRa是雷达应用的理想调制方式，因此非常适合于测距和实时定位服务等应用。

NB-IoT

NB-IoT针对M2M通信场景对原有的4G网络进行了技术优化，其对网络特性和终端特性进行了适当地平衡，以适应物联网应用的需求。在“距离、品质、特性”和“能耗、成本”中，保证“距离”上的广域覆盖，一定程度地降低“品质”，减少“特性”。网络特性“缩水”的好处就是：降低了终端的通信“能耗”，并可以通过简化通信模块的复杂度来降低“成本”。所以说，为了满足部分物联网终端个性要求，网络做出了“妥协”。NB-IoT是“牺牲”了一些网络特性，来满足物联网中不同以往的应用需要。

NB-IoT特点

• 部署方式

为了便于运营商根据自有网络的条件灵活运用，NB-IoT可以在不同的无线频带上进行部署，分为三种形式：独立部署、保护带部署和带内部署。

• 覆盖增强

为了增强信号覆盖，在NB-IoT的下行无线信道上，网络系统通过重复向终端发送控制、业务消息，再由终端对重复接收的数据进行合并以提高数据通信的质量。

• NB-IoT低功耗的实现

要终端模块低功耗运行，最好的方法就是尽量地让其“休眠”。NB-IoT有两种模式，可以使通信模块只在约定的一段很短暂的时间段内，监听网络对其的寻呼，其他时间则都处于关闭状态。这两种“省电模式”为省电模式（PSM）和扩展的不连续接收模式（eDRX）。

• 终端简化带来低成本

针对数据传输品质要求不高的应用，NB-IoT具有低速率、低带宽、非实时的网络特性，这些特性使得NB-IoT终端不必向个人用户终端那样复杂，简单的构造、简化的模组电路依然能够满足物联网通信的需要。

eMTC

eMTC的全称为enhanced Machine-Type Communication,增强型机器类型通信。它还有一个名字，叫作LTE-M（LTE-Machine-to-Machine,LTE-机器到机器）。也就是说，是机器之间用的LTE通信，非常直白了，是适用于物联网的LTE网络。eMTC作为窄带蜂窝物联网主流网络制式标准之一，相比于非蜂窝物联网具备了LPWAN基本的四大能力：广覆盖、大连接、低功耗、低成本。

eMTC特点

• 功耗低、终端续航时间长

目前2G终端的待机时长为20天左右，eMTC的耗电仅为2G模式的1%，终端待机时长可达10年。

• 海量连接

eMTC支持每小区超过1万个终端。

• 广覆盖

LPWAN典型场景网络覆盖不足，例如深井、地下车库等存在覆盖盲点，4G室外基站无法实现全覆盖，而在广覆盖方面，eMTC比LTE增强15dB（可多穿一堵墙），比GPRS增强了11dB，信号可覆盖至地下2~3层。

• 成本有望不断降低

eMTC终端有望通过产业链交叉补贴，不断降低成本。

• eMTC使用专用频段传输干扰小

相对非蜂窝物联网技术来说，eMTC基于授权频谱传输，传输干扰小，安全性较好，能够确保可靠传输。

• 速率高

eMTC支持上下行最大1Mb/s的峰值速率，在保证覆盖和功耗的基础上，能达到这个速率已经很不错了，这个速率，足以支撑更丰富的物联应用，如低速视频、语音等。

• 支持移动性

eMTC支持连接态的移动性，物联网用户可以无缝切换，保障用户体验。因此，eMTC更适用于如智能手表这样的可穿戴设备。

• 可定位

基于TDD的eMTC，利用基站侧的PRS测量，在无须新增GPS芯片的情况下就可以进行位置定位。这样一来，更有利于eMTC在物流跟踪、货物跟踪等场景的普及。

• 支持语音

支持VoLTE，因此，eMTC可被广泛应用到与紧急呼救相关的物联网设备中。

• 支持LTE网络复用

eMTC可以基于现有LTE网络直接升级部署，和现有的LTE基站共站址共天线。省钱才是硬道理。eMTC利用这个优势，可以实现低成本的快速部署，有利于运营商抢占市场先机。

Sigfox技术

Sigfox是一种低成本、可靠性高、功耗低的解决方案，用于连接传感器和设备。通过专用的低功耗广域网络，致力于连接千千万万的物理设备，并改善物联网的体验。

Sigfox特点

• 低功耗

极低的能耗，可延长电池寿命，典型的电池供电设备工作可达10年。

• 简单易用

基站和设备间没有配置流程、连接请求或信令，设备在几分钟内启动并运行。

• 低成本

从设备中使用的Sigfox射频模块到Sigfox网络，Sigfox会优化每个步骤，使其尽可能具有成本效益。

• 小消息

用户设备只允许发送很小的数据包，最多12B。

• 互补性

由于其低成本和易于开发使用，客户还可以使用Sigfox作为任何其他类型网络的辅助解决方案，如Wi-Fi、蓝牙、GPRS等。