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物联网初级HCIA考试：深入理解常用通信技术（第二章）

最编程 2024-02-24 14:23:47
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本篇博客参照相关技术博文如下:
1. 知乎:一文带你认识LPWA通信技术
2.华为HCIA-IoT V2.5 培训教材

@TOC

(一) 有线通信技术

1.以太网

百度百科:

以太网（Ethernet）是一种计算机局域网技术。IEEE组织的 IEEE 802.3标准制定了以太网的技术标准，它规定了包括物理层的连线、电子信号和介质访问层协议的内容。以太网是当前应用最普遍的 局域网技术，取代了其他局域网标准如 令牌环、FDDI和ARCNET。

传播介质: 使用传播电磁波的介质以太 (Ether) 来命名

分类:

基站上有三种接口：一个ETH口、两个FE/GE口和两个SFP口。其中SFP口就是使用光纤传输的千兆光口。

  • ETH(标准以太网)，传输速率为10Mbps。
  • FE(快速以太网（Fast Ethernet ))，传输速率为100Mbps。
  • GE(干兆以太网(Gigabit Ethernet ))，传输速率为1000Mbps。
  • FE/GE(百兆/千兆自适应网口)，根据对端连接交换机的速率来确定。

使用相关网络技术:

CSMA/CD（载波监听多路访问/冲突检测）通信控制机制。名字中的“载波监听”
表示发送之前的检测，“多路访问”表示一点发送全线接受，“冲突检测”表示发送过程中的检测。

2.串口通信(RS-232与RS-485)

百度百科-RS-232:

RS-232标准接口（又称EIA RS-232）是常用的串行通信接口标准之一，它是由美国电子工业协会(EIA)联合贝尔系统公司、调制解调器厂家及计算机终端生产厂家于1970年共同制定，其全名是“数据终端设备( DTE)和数据通信设备(DCE)之间串行二进制数据交换接口技术标准”。

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百度百科-RS-485:

智能仪表随着80年代初单片机技术的成熟而发展起来，世界仪表市场基本被智能仪表所垄断，这归结于企业信息化的需要，而企业在仪表选型时其中的一个必要条件就是要具有联网通信接口。最初是数据模拟信号输出简单过程量， 后来仪表接口是RS232接口，这种接口可以实现点对点的通信方式，但这种方式不能实现联网功能，随后出现的RS485解决了这个问题。
  • RS-232不能实现联网功能
  • RS-232对应计算机上的COM口 COM1,COM2
  • RS-232是一对一通信
  • RS-485解决RS-232的不足(如联网功能),而推出的一种通信线路
  • RS-232可以通过RS232转RS485进行转换

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RS-232和RS-485的对比图:
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RS232/RS485的转换:
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3.通用串口总线(USB)

  • USB正是为了解决速度、扩展能力、易用性应景而生的
  • 最新一代的USB是USB4，传输速度为40Gbit/s
  • 在计算机常见的USB2.0接口为黑色,USB3.0为蓝色
  • 下图Type-A,Type-B,Micro-B,Type-C都是USB,只是不同的类型

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4.M-Bus技术

搜狗百科:

M-Bus (Meter Bus) —— 户用仪表总线，它是一种专门为 消耗测量仪器和 计数器传送信息的数据总线设计的。M-Bus在商业和工业建筑能源消耗数据采集上有多方面的应用。
  • M-Bus的最大传输距离为1000m
  • M-Bus可为现场设备供电,无需再布设电源线,总

线供电能力为5A,节点功率需小于0.65mA

  • M-Bus 串行通信方式的总线型拓扑结构非常适合公用事业仪表的可靠、低成本的组网要求，可以在几公里的距离上连接几百个从设备

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5.电力载波PLC技术

电力线通信（Power Line Communication，PLC)技术是指 利用电力线传输数据和媒体信号的一种通信方式。 该技术是把载有信息的高频加载于电流然后用电线传输，接受信息的适配器再把高频从电流中分离出来并传送到计算机或电话以实现信息传递。

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6.有线通信技术简要对比

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(二) 无线通信技术

1.短距离无线通信技术

(1)蓝牙
“蓝牙”是一种大容量近距离无线数字通信技术标准，最新的蓝牙5.0支持最高 3Mbps的传输速率，传输距离可达约 300米。蓝牙技术发展到后期分为 BR/EDR（基础率/增强数据率）和 LE（低耗能）两种技术类型，其中 BR/EDR型以点对点的方式进行通信， LE型则支持点对点（一对一）、广播（一对多）和Mesh（多对多）等多种网络拓扑结构。其中 LE型主要应用于物联网领域，为智能家居提供更低功耗和更高性能的服务。

优点：速率快、低功耗，安全性高。

缺点：针对于EDR型而言，网络节点少，不适合多点布控。

(2)Wi-Fi技术
Wi-Fi是一种允许电子设备连接到一个无线局域网 (WLAN) 的技术，通常使用 2.4G UHF或 5G SHF ISM
射频频段。最新的 Wi-Fi6支持 9.6Gbps的传输速率以及低至 20ms的时延。

优点：覆盖范围广，数据传输速率快。

缺点：传输安全性不好，稳定性差，功耗略高，组网能力差。

(3)ZigBee

搜狗百科:

ZigBee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗局域网协议。根据国际标准规定，ZigBee技术是一种 短距离、 低功耗的 无线通信技术。这一名称（又称紫蜂协议）来源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂(bee)是靠飞翔和“嗡嗡”(zig)地抖动翅膀的“舞蹈”来与同伴传递花粉所在方位信息，也就是说蜜蜂依靠这样的方式构成了群体中的通信网络。其 特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率。主要适合 用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。简而言之，ZigBee就是一种便宜的，低功耗的近距离无线组网通讯技术。ZigBee是一种低速短距离传输的无线网络协议。ZigBee协议从下到上分别为物理层(PHY)、媒体访问控制层(MAC)、传输层(TL)、网络层(NWK)、应用层(APL)等。其中物理层和媒体访问控制层遵循IEEE
802.15.4标准的规定。
  • 短距离、低功耗的无线通信技术
  • 特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率
  • 广泛的应用于工业和智慧家庭领域

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(4)Z-Wave

搜狐百科Z-Wave:

Z-Wave是一种新兴的基于射频的、低成本、低功耗、高可靠、适于网络的短距离无线通信技术。工作频带为908.42MHz(美国)~868.42MHz(欧洲)，采用FSK(BFSK/GFSK)调制方式，数据传输速率为9.6kbps，信号的有效覆盖范围在室内是30m，室外可超过100m，适合于窄带宽应用场合。随着通信距离的增大，设备的复杂度、功耗以及系统成本都在增加，相对于现有的各种无线通信技术，Z-Wave技术将是最低功耗和最低成本的技术，有力地推动着低速率无线个人区域网。

优点：结构简单，低速率，低功耗，低成本，可靠性高。

缺点：标准不开放，芯片只能通过Sigma Designs这一唯一来源获取。

(5)短距无线技术对比

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2.蜂窝移动网络

(1)2G
GSM全名为：Global System for Mobile Communications，中文为全球移动通
信系统，是 第二代移动通信技术。GSM是1992年欧洲标准化委员会统一推出的标
准，它采用数字通信技术、统一的网络标准，使通信质量得以保证，并可以开发 出更多的新业务供用户使用。 GSM数据速率为9.6Kbps。

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关于GPRS(是2G到3G的一个过度2.5G):
GPRS ( General Packet Radio Service )是通用分组无线服务技术的简称，它是GSM移动电话用户可用的一种移动数据业务。GPRS可以说是GSM的延续,GPRS的传输速率可提升至56甚至114Kbps。

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(2)3G
3G是第三代移动通信技术，是指支持高速数据传输的蜂窝移动通信技术。3G服务 能够同时传送声音及数据信息，速率一般在 几百Kbps以上。3G是指将无线通信与国际互联网等多媒体通信结合的新一代移动通信系统，目前3G存在3种标准： CDMA2000、WCDMA、TD-SCDMA。3G标准演进至现在，WCDMA的最新演进技术HSPA+已可支持 42Mbps的下行速率。

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(3)4G
第四代移动电话行动通信标准，指的是第四代移动通信技术，外语缩写：4G。该技术包括 TD-LTE和 FDD-LTE两种制式。 4G是集3G与WLAN于一体，并能够快速传输数据、高质量音频、视频和图像等。4G能够以 100Mbps以上的速度下载，比家用宽带ADSL（4兆）快25倍，并能够满足几乎所有用户对于无线服务的要求。此外，4G可以在DSL和有线电视调制解调器没有覆盖的地方部署，然后再扩展到整个地区。很明显，4G有着不可比拟的优越性。

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(4)LTE-Cat

百度百科对LTE_Cat名词解释:

LTE CAT全名LTEUE-Category，拆开来解释:LTE指的是4GLTE网络、UE是指用户设备、Category翻译为等级。通顺解释就是 用户设备能够支持的4GLTE网络传输速率的等级，也可以说成是4G网络速度的一个技术标准，比如LTE Cat4就是指终端LTE网络接入能力等级为4。

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LTE Cat.1:总端LTE网络接入能力等级1

Cat.1支持高达10Mbps的终端下行链路速率，从而能够将更低功耗和更低成本的IoT设备连接到LTE网络。由于世界各地的4G LTE运营商均基于最低3GPP Release8协议版本进行部署，因此运营商无需升级网络，仅需要简单的参数配置即可允许Cat.1终端访问网络。尽管Cat.4及更高版本的解决方案支持高速率，但对于物联网行业而言，其成本价格通常相对较高，并且Cat.1的高度集成为客户提供了最佳的性价比。

(5)5G

随着科技快速发展，2025年全世界希望达到：万物感知、万物互联、万物智能
为了这一愿景，一项新的通信技术——5G应运而生。
什么是5G:

5G网络是第五代移动通信网络，其峰值理论传输速度可达10Gbps，比4G网络的传输速度快数百倍。举例来说，一部1G的电影可在8秒之内下载完成。

未来5G的3大类应用场景:

  • 增强型移动互联网业务eMBB(Enhanced Mobile Broadband)
  • 海量连接的物联网业务mMTC (Massive Machine Type Communication)
  • 超 高 可 靠 性 与 超 低 时 延 业 务 uRLLC (Ultra Reliable & Low Latency
    Communication)
(6)蜂窝移动网络技术对比

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3.LPWA通信技术

关于LPWA:

LPWA – Low power wide area, 低功耗广域技术的简称，使用较低功耗实现远距离的无线信号传输。
(1) LPWA - SigFox
SigFox 是一家法国的物联网技术创业公司，它的公司叫 SigFox，它的这项技术的名字也叫 SigFox。SigFox 这项技术专门为那些 吞吐率很低的项目所设计，它的 传输功耗很低，只有 50-100 微瓦，但是仍然能维持比较稳定的数据连接。但是呢，因为物联网设备会产生大量的 数据，并且这些数据由 SigFox 公司自己来进行存储。但是 SigFox 毕竟是一家小公司，自己 保存着这些数据公信力不足，同样在信息安全方面也存在疑问，所以它的使用并没有像 LoRa 一样非常广泛。
  • 超窄带UNB技术
  • 传输功耗水平非常低
  • 使用免授权的ISM射频频段
  • SigFox网络技术使用超窄频带调制技术
  • 传输最远达1000公里以上
  • 每个基站允许多达100万个物联网(IOT)设备终端

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(2) LPWA - LoRa
是 Long Range 的缩写，它跟 SigFox 不一样的是他由 LoRa 联盟维护管理。LoRa 技术 由 Semtech 公司开发，之后经过 LoRa 联盟的共同努力，他们开发出了应用于 LPWA 领域的 网络，叫做LoRaWAN。它是一项 基于扩频技术的超远距离无线传输方案，以此来达到长距 离和低功耗的要求，这项技术 主要在未授权频段来支撑。Lora 可以应用于自动抄表、智能家 居和楼宇自动化、无线预警和安全系统、工业监测和控制以及远程灌溉系统等等。

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(3) LPWA - NB-loT
NB-IoT 最早是由华为和沃达丰主导提出来的，之后加入了爱立信和高通等一些公司。它的特 点就在于 NB-IoT 叫 窄带蜂窝物联网，所以它构建于现有的蜂窝网络。同时因为它是窄带，所 以他只消耗大约 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。

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(4) LPWA - emTC
在 LPWA 技术当中最后一个要描述的就是爱立信基于 4G 网络提出的解决方案 eMTC， 它主 要面向深度覆盖、大连接的应用场景。与 NB-IoT 相比，它的速率更高但是覆盖范围要更小， 并且功耗也比较大。但是，虽然与 NB-IoT 相比它的覆盖范围更小，功耗也更大，但是 它具备 语音通信的能力。所以相较于 NB-IoT，它可以被 应用于一些需要使用语音通信功能的场景之 下。
(5) LPWA技术对比

什么SubG:

SubG 的意思是频率在 1GHz 以下，主要是指 27MHz 到 960MHz 的频段。SubG是长距离、低功耗通信的理想选择。因为在功率相同的情 况下，网络的频率越高，穿透能力就越差，但是 LPWA 场景下的设备如电表、水表等，他们经常被放在比较深的位置当中，通常有非常多的阻碍在上面，所以选择低频段就显得非常有必 要了。

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4.无线通信技术简要对比

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(三) NB-IoT通信技术及解决方案介绍

1.NB-IoT标准演进与产业发展

NB-IoT标准持续演进
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华为率先发布NB-IoT商用芯片与网络版本
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2.NB-IoT关键技术介绍

NB-IoT物理层介绍

总之，NB-IoT的物理信道 通过降低目标速率、多次传输、采用低阶调制方式等措施，以达到 增加覆盖、 降低功耗、 降低成本的目的。

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NB-IoT关键特性

  • 超低成本
  • 超低功耗
  • 超强覆盖
  • 超大连接

超低成本：NB-IoT部署方式

NB-IoT支持基于目前LTE制式平滑演进，并根据不同运营商的需求， 支持灵活的频段部署，从而 降低网络建设和维护成本。

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超低成本：通信芯片专为物联网设计

通过简化功能、算法，裁剪不必要的物理硬件模块，从而达到降低芯片成本的目的。

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超低功耗：DRX与eDRX
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超低功耗：PSM省电模式(PSM可以进入休眠模式,DRX,eDRX是周期性的没有休眠模式,并且PSM更加省电)
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超强覆盖：功率谱密度提升与时域重传
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超大连接：减小空口信令开销与降低资源使用
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NB-IoT关键特性归纳
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3.NB-IoT解决方案介绍

NB-IoT解决方案总体架构
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NB-IoT实际应用案例

  • NB-IoT解决方案：智能停车
  • NB-IoT解决方案：共享单车
  • NB-IoT解决方案：智慧路灯
  • NB-IoT解决方案：智能抄表

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(四) eLTE-IoT

  • eLTE-IoT(NB-IoT在ISM频谱上适配增强)不是LPWA通信技术
  • eLTE-IoT可接入1000个电表
  • eLTE-IoT无法远程抄表,智能路灯,环境检测进行运用
  • eLTE-IoT网元:业务引擎,loT一体化基站,CPE(用户接入终端)
  • eLTE-IoT通过功率谱密度提升,时域重传机制,跳频技术,小包快传技术提升抗干扰能力
  • eLTE-IoT小包快传提升数据传输距离,时域重传技术覆盖更远
  • eLTE-IoT跳频技术提高可靠性

1.工业物联网的趋势与挑战

  • 20%IoT将来自快速增长的工业物联市场
  • 自建工业物联专网实现园区产业升级
  • 工业物联网的需求是多样的
  • 现有网络技术面临巨大挑战

20%IoT将来自快速增长的工业物联市场
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自建工业物联专网实现园区产业升级
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工业物联网的需求是多样的
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现有网络技术面临巨大挑战
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2.华为eLTE-IoT关键技术

华为eLTE-IoT端到端解决方案
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华为eLTE-IoT解决方案亮点

  • 基于ISM频谱可靠连接(ISM频谱),更大容量海量物联(小包数据),更低功耗最长10年(小包快传),更好覆盖最大10Km(更好覆盖最大10Km)

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eLTE-IoT是NB-IoT在ISM频谱上适配增强
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基于ISM频谱的窄带IoT，快速部署
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eLTE-IoT Vs LoRa技术对比
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免授权频谱上建立更可靠连接
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小包数据快速传输，提升系统容量
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高接收灵敏度和时域重传技术
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引入节能模式，让设备功耗更低
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3.华为eLTE-IoT产品与架构

  • 开放被集成，构筑端到端健康生态系统
  • 轻量化设备，网络架构灵活，易部署
  • 统一网管，易维护
  • 华为eLTE-IoT全系列产品
  • IoT业务引擎
  • 全场景AirNode和终端

4.华为eLTE-IoT解决方案应用

eLTE-IoT行业应用
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  • 生产状态可视化及能效管理
  • 低功耗灵活组网，服务远程智能抄表
  • IoT构建城市全联接网络

(五) 5G通信技术及解决方案介绍

1.5G标准演进与产业发展

5G通信技术标准演进
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2025年愿景：向智能世界迈进

万物感知,万物互联,万物智能

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5G新技术标准从3GPP Release 15版本开始
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5G多种类型产品井喷式发布
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2.5G关键技术介绍

5G关键性能指标
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5G关键能力要求
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5G三大(新架构,新空口,全频谱)关键革新:
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5G组网方式
三种模式:NSA,NSA&SA,SA
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NGC：面向业务，4大特征业务
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5G新空口技术
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5G聚合所有频段频谱
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国内5G中低频段频率分配
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3.5G三大场景应用介绍

  • eMBB场景应用 移动互联网(VR/AR/MR)
  • mMTC场景应用 物联网
  • uRLLC场景应用 物联网(车联网)

eMBB场景应用
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mMTC场景应用
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uRLLC场景应用
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4.5G商业解决方案介绍

三种5G商业解决方案助力商业成功
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B2C行业洞察：3 个关键成功因素
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解决方案：驱动VR/AR商业成功
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B2B行业洞察：蓝海市场，从联接做起
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解决方案：快速经济的商业连接
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B2H行业洞察：三大场景推动业务发展
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解决方案：快速HBB连接-5G FWA系列
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(五) 课后习题

  1. （单选）下列选项中，属于有线通信技术的是？

A. 5G ❌ 无线,远距离无线通信,蜂窝移动网络
B. NB-IoT ❌ 无线,超远距离无线通信,LPWA通信
C. PLC ✅ PLC利用电力线传输数据和媒体信号的一种通信方式
D. ZigBee ❌ 无线,短距离无线通信

答:从上面的总结我们可以知道,物联网的通信可分为二类,即有线通信(ETH,USB,RS232,RS485,M-Bus,PLC)和无线通信,无线通信可以细分为短距离无线通信(Wifi,蓝牙,Zigbee,Z-wave)和远距离无线通信,远距离无线通信还可以分为二种,远距离和超远距离,远距离无线通信蜂窝移动网络(2G,2.5G,3G,4G,5G),超远距离无线通信LPWA通信(NB-lot,LoRa,SigFox,eMTC),所以上面答案应选择C

  1. （判断）所有的NB-IoT网络都部署在Sub-GHz授权频段上。❌

答:错误,NB-IoT网络是主要在Sub-GHz授权频段,我们知道SubG 的意思是频率在 1GHz 以下，主要是指 27MHz 到 960MHz 的频段,如果NB-lot有不在这个频段的设备我们是不是就无法使用了呢。

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