物聯網網絡通道技術及應用探討

楊曉鳴++田遠勤

摘 要：物聯網網絡層作為傳輸和交換感知信息的通道，連接著感知層和應用層，其網絡接入技術已成為業界關注的焦點，目前已形成了多種物聯網網絡通道技術。研究從物聯網網絡通道技術分類入手，通過對比的方法，分析不同短距離通信技術及長距離通信技術的特點，得出不同技術的適用場景。同時針對目前常見的物聯網場景，分析如何采用不同的技術開展物聯網應用。

關鍵詞：物聯網；網絡通道技術；低功耗廣域網；WiFi；ZigBee

中圖分類號：TP39；TN929.5 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2017）10-00-03

0 引 言

隨著物聯網技術的不斷演進發展，全球信息科技發展正經歷著從互聯網、移動互聯網到物聯網的延伸。芯片巨頭、IT廠商、電信運營商、互聯網企業等也紛紛進行物聯網生態布局，搶占行業發展先機，構建物聯網生態體系。預計未來5～10年物聯網連接數和市場規模將發生大規模井噴式發展，物聯網將成為下一個萬億級別的通信業務。

1 物聯網概述

物聯網（Internet of Things，IoT）是指通過信息傳感設備，按照約定的協議把任何物品與信息網絡連接起來進行信息交互和通訊，以實現智能化識別、定位、跟蹤、監控和管理的一種網絡。

物聯網技術架構從下到上依次為感知層、網絡層、應用層。感知層可感知和識別物體，完成信息的收集和簡單處理，由各類傳感器、攝像頭、GPS、被感知物體等組成；網絡層可完成各類設備的網絡接入，傳遞感知層獲取的信息，該層強調網絡通道接入方式，如光纖、WiFi、藍牙、4G等；應用層可將物聯網技術與行業需求、應用服務相結合，實現廣泛的智能化應用，包括中間件、通用服務平臺、數據服務平臺等[1-3]。物聯網技術架構如圖1所示。

2 物聯網網絡通道技術特點

2.1 物聯網網絡通道技術分類

早期的物聯網多采用有線方式，隨著無線通信技術的發展，物聯網終端接入更多采用無線方式。本文針對無線通信技術進行研究。

根據通信距離的遠近，物聯網網絡通道技術可分為短距離通信技術和長距離通信技術[4]。物聯網網絡通道技術分類如圖2所示。

2.2 短距離通信技術特點

2.2.1 ZigBee

ZigBee是一種短距離、低復雜度、低功耗、低數據速率、低成本的無線通信協議。ZigBee工作在3個免執照頻段，分別為2.4 GHz、868 MHz（歐洲）、915 MHz（美國）。

ZigBee技術的優點如下所示：

（1）數據傳輸速率低，為10～250 Kb/s。

（2）功耗低。在待機模式下，兩節5號電池可用6～24個月，在休眠模式下使用時間可達10 年。

（3）成本低。協議簡單且免專利費。

（4）網絡容量大，最多可容納65 000個設備。

（5）安全性較高。

（6）傳輸可靠。

（7）工作頻段靈活。

ZigBee技術具有如下缺點：

（1）延時較高，約15～30 ms；

（2）有效范圍小，有效覆蓋范圍為10～75 m。

（3）抗干擾能力較差。

2.2.2 藍牙

藍牙（Bluetooth）是一種無線數據與語音通信的開放性全球規范。藍牙工作在2.4 GHz的ISM頻段，為免執照頻段。

藍牙技術有如下優點：

（1）全球范圍適用。

（2）傳輸速率快，可支持語音和數據傳輸。

（3）具有很好的抗干擾能力。

（4）安全性高。

（5）藍牙模塊體積小，便于集成。

（6）低功耗，定義了3種工作低功耗模式。

（7）開放的接口標準。

（8）成本較低。

藍牙技術缺點如下所示：

（1）傳輸范圍有限，在10 m以內。

（2）網絡節點少，不適合多點布控。

2.2.3 WiFi

WiFi（Wireless-Fidelity）是無線局域網（WLAN）中的一個標準。通常WiFi技術使用2.4 GHz和5 GHz周圍頻段。

WiFi技術的優點如下：

（1）數據傳輸速率快，最高可達11 Mb/s。

（2）應用廣易于部署。

缺點包括以下幾方面：

（1）傳輸安全性較低，抗干擾能力不強，信號在建筑物內易受墻壁阻隔的影響，穩定性較差。

（2）功耗略高。

（3）組網能力差。

2.2.4 短距離通信技術特點對比

短距離通信技術的技術特點見表1所列。

2.3 長距離通信技術特點

2.3.1 移動蜂窩通信技術

目前運營商已經構建了覆蓋全球的移動蜂窩網絡，其優勢在于覆蓋范圍廣，速率高。移動蜂窩技術具有功耗高，成本高，穩定性一般等缺點，且大部分物聯網設備的特點是尺寸小，電池供電，還經常會被放在網絡覆蓋不好甚至無信號的地方，因此移動蜂窩通信技術不適于大部分物聯網應用。

移動蜂窩技術常應用于高速率業務，如要求實時數據傳輸的車載物聯網設備和監控攝像頭等。

2.3.2 低功耗廣域網

低功耗廣域網（Low-Power Wide-Area，LPWA）是專為低帶寬、低功耗、遠距離、大量連接的物聯網應用而設計，包括非授權頻段技術如LoRa、Sigfox等，授權頻段技術如NB-IoT、eMTC等[4]。

2.3.2.1 非授權頻段技術——LoRaendprint

LoRa（Long Range）是一種基于1 GHz以下的超長距低功耗數據傳輸技術。LoRa在免費頻段運行（433/868/915 MHz）。LoRa數據傳輸速率低，速率范圍為0.3～37.5 Kb/s。

LoRa具有如下技術特點：

（1）長距離：相比業界sub-Ghz芯片提升約20 dB增益，接收靈敏度提升20 db以上，通信距離達15 km以上。

（2）低功耗：采用異步通信機制，當其要發送的數據準備好時開始通信；電池壽命長達10年。

（3）低成本：使用非授權頻段，協議和調制機制簡單，設計制造成本低。

（4）大容量：通過LoRa網關有效擴展系統容量，單個網關連接數量可達數萬個節點；使用線性調頻擴頻調制技術，使網關能并行接收并處理多個節點的數據。

2.3.2.2 授權頻段技術——NB-IoT

由于終端傳輸的數據量很少，物聯網應用的ARPU值較低，因此需要一種技術方便運營商在現有網絡基礎上升級以支持物聯網，因此寬窄物聯網（Narrow Band-IoT，NB-IoT）應運而生。

NB-IoT技術特點如下：

（1）覆蓋范圍廣且深：比GPRS提升約20 dB增益，且具有更高的功率譜密度，更多重傳次數，有效提升了覆蓋廣度和深度，可提供10倍于GPRS的覆蓋面積。

（2）低功耗：設備功耗小，5號電池使用壽命可達5～10年。借助節電模式（Power Saving Mode，PSM）和延長的非連續接受（Enhanced Discontinuous Reception，eDRX）模式，減少終端監聽網絡頻度，實現更長待機。

（3）成本較低：采用簡化的協議棧，降低基帶處理復雜度；功率放大器小、尺寸小，可降低成本。

（4）海量連接：采用窄帶技術，提高信道容量；減少空口信令開銷，提高頻譜效率，提供50～100倍于移動蜂窩技術的接入數。

（5）安全穩定：繼承4G網絡安全能力，提供電信級的可靠接入。

2.3.3 LPWA通信技術對比

表2以LoRa和NB-IoT為例，比較LPWA通信技術的技術特點。

NB-IoT在抗干擾性、可靠性等方面略勝一籌，LoRa則在成本、產業鏈成熟度等方面占優勢。NB-IoT和LoRa類似運營商的公網與公安、鐵路等行業專用網絡的關系。

3 物聯網網絡通道技術典型應用場景

3.1 家居生活

家庭安防是智能家居最早的嘗試之一，安防網絡包含的傳感器數量較多，對網絡容量、安全要求較高，同時還涉及設備間的聯動，要求能自動組網。ZigBee網絡容量大、可自組網的特點使其適用于家庭安防場景。

智能家電是智能家居的另一領域，要求通過互聯網進行遠程操控。現階段智能家電尚未普及，少量智能家電通過WiFi技術將家電直接聯網即可實現。未來，整套智能家居解決方案中，接入終端數量眾多，且需要聯網操作，因此可采用ZigBee加網關的方式實現互聯網接入。

室內外視頻監控對網絡帶寬的要求極高，需要接入互聯網便于遠程查看，因此WiFi或有線方式是較好的選擇。

可穿戴設備已深入人們的生活，且大部分穿戴類產品需要通過手機實現聯網。由于穿戴類設備本身電池的大小和容量有限，頻繁充電會影響用戶體驗，因此要求低功耗。ZigBee和藍牙技術均符合要求，但目前很少有集成ZigBee的手機，更多采用藍牙技術。

3.2 工農業生產

智能農業中需要部署大量傳感器如溫濕度、風力、光照傳感器等，在工業控制領域同樣需要部署大量傳感器對機械進行監測、控制，這類場景不僅要求網絡容量大，且功耗要求低，ZigBee技術比較適宜。采用ZigBee加網關聯網，可根據環境狀況對農業設施進行遠程控制，實現自動灌溉、風機降溫、卷簾遮陽、LED補光；根據機械監測數據對工業機械進行實時調整和配置。

此外采用WiFi或有線方式部署攝像頭可實現農業大棚及工業生產車間的視頻監控。

3.3 城市管理

未來城市管理中，采用物聯網將使管理更智能、精準。智能停車是應用最廣泛的城市物聯網，目前常用的方式是車輛檢測器用非授權頻段（如ZigBee）進行無線傳輸，將車位信息上報給匯聚網關，再通過運營商網絡上報到管理平臺。但由于非授權頻段通信存在信號干擾，網絡穩定性、安全性較差，且匯聚網關覆蓋范圍有限，通常一個網關只能管理10～15個車位，部署復雜度較高，因此采用NB-IoT方式。NB-IoT可提供運營商級別的網絡保障，無需部署匯聚網關，整體成本（設備成本、部署成本、維護成本）下降，且后續車位擴容簡單，無需考慮網絡兼容性問題，將成為未來應用的技術方向。

此外，智能井蓋、智能垃圾桶等也是智慧城管的典型應用。井蓋、垃圾桶數量眾多，放置范圍廣且環境較差，需要傳輸的數據量極小，NB-IoT技術適用于此類場景，將有效助力智慧城市管理建設。

3.4 企業物聯網組網

對于有特定運營需求的企業級網絡，如電力、水務、燃氣行業等，以及相對封閉的企業體系，往往不希望采用公用網絡承載其物聯網業務。LoRa、SigFox等非授權頻段網絡技術可用于企業自建IoT網絡，以保持企業對定價、客戶服務、內部管理等的可控性。典型的應用包括智慧水務、智慧油田、物流跟蹤等。

4 結 語

隨著信息技術的飛速發展，萬物互聯的時代已經來臨。目前已出現了眾多物聯網網絡通道技術，并且在較長一段時期內，物聯網仍將處于藍海階段，新的網絡技術也將不斷涌現，而新的應用也將不斷被發掘。如何針對不同的應用場景，選擇合適的通信技術是開展物聯網應用部署的關鍵。

參考文獻

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