淺談物聯網（IoT）時代的無線通訊技術及通信模型

汪娟

摘 要：大型物聯平臺的出現是現今市場需求的必然結果，智能設備數量和種類持續增長以及芯片廠商不斷的技術突破，新的使用領域和互聯場景不斷出現，物聯網已經進入到一個快速增長和爆發的時代。網絡通訊作為物聯網的基礎，IoT項目如何進行通訊技術選型至關重要。本文詳述了當下熱門IoT通訊技術的特點以及在實現物聯網通信模型設計方面的一些思考。

關鍵詞：物聯網（IoT）；無線通信技術；選型；通信模型

1 什么是物聯網

物聯網（Internet of Things， IoT）是指嵌入式物理設備，如：汽車、家用電器等，具有計算機化系統，如軟件、傳感器等，通過智能感知、識別技術與計算等通信感知技術，廣泛應用于網絡的融合中，也因此被稱為繼計算機、互聯網之后世界信息產業發展的第三次浪潮。在這項技術中，每一個設備都能自動工作，根據環境變化自動響應，與其他或多個設備交換數據，不需要人為參與。整個系統由無線網絡和互聯網的完美結合而構建。物聯網的主要目的是提高設備的效率和準確性，為人們節省金錢和時間。

物聯網終端包括智能手機、耳機、汽車、燈泡、冰箱、咖啡機、安全系統、警報系統還有許多其他家庭和移動設備。據有關專家估計，到2020年物聯網將連接全球超過300億件物品，全球市值將達到約7.1萬億美元。

NB-IoT 是當前物聯網中一種革新性的技術，是由華為主導，由3GPP定義的基于蜂窩網絡的窄帶物聯網技術。NB-IoT協議棧基于LTE設計，但是根據物聯網的需求，去掉了一些不必要的功能，減少了協議棧處理流程的開銷。 它支持海量連接、有深度覆蓋能力、功耗低，這些與生俱來的優勢讓它非常適合于傳感、計量、監控等物聯網應用，適用于智能抄表、智能停車、車輛跟蹤、物流監控、智慧農林牧漁業以及智能穿戴、智慧家庭、智慧社區等等領域。這些領域對廣覆蓋、低功耗、低成本的需求非常明確，目前廣泛商用的2G/3G/4G及其他無線技術都無法滿足這些挑戰。

2 物聯網的通信技術

“世界上最遙遠的距離就是沒有網絡”，網絡通訊是IoT的基礎，常見的無線網絡通訊技術有：WiFi、NFC、ZigBee、Bluetooth、WWAN（Wireless Wide Area Network，包括GPRS、3G、4G、5G等）、NB-IoT、Sub-1GHz等。它們在組網、功耗、通訊距離、安全性等方面各有差別，因此擁有不同的適用場景。WiFi、Bluetooth、WWAN是現階段物聯網的主力，占所有應用的95%以上。ZigBee主要用在全屋智能領域，NB-IoT是目前較為火熱的技術，是華為主推的新一代物聯網通信技術，受到市場的青睞。

通信技術各式各樣，那么如何在眾多無線通訊技術中找到適合自己的呢？下面根據我的了解到的具體應用場景做一下簡單總結，淺顯易懂，僅供各位初學者參考一二，不當之處還請多多指點與包涵。

2.1 WiFi

Wi-Fi是一種允許電子設備連接到一個無線局域網（WLAN）的技術，通常使用2.4G UHF或5G SHF ISM 射頻頻段。連接到無線局域網通常是有密碼保護的；但也可是開放的，這樣就允許任何在WLAN范圍內的設備可以連接上。WiFi最大的優點是連接快速、持久、穩定，它是IoT設備端連接的首選方案，唯一需要考慮的是智能設備對WiFi覆蓋范圍的依賴導致smart devices的活動范圍比較小，不適合隨時攜帶和戶外場景。使用場景例舉：各種智能家電可以通過WiFi被遠程控制。

2.2 Bluetooth

藍牙（Bluetooth? ）：是一種無線技術標準，可實現固定設備、移動設備和樓宇個人域網之間的短距離數據交換（使用2.4～2.485GHz的ISM波段的UHF無線電波）。

Bluetooth最大的優點是不依賴于外部網絡、便攜、低功耗。只要有手機和智能設備，就能保持穩定的連接，走到哪連到哪。所以大部分運動和戶外使用的設備都會優先考慮Bluetooth。它的主要不足是：不能直接連接云端，傳輸速度比較慢，組網能力比較弱。使用場景例舉：智能手環，共享單車的智能藍牙鎖，iBeacon定位。

2.3 WWAN

WWAN（Wireless Wide Area Network，無線廣域網）技術是使得筆記本電腦或者其他的設備裝置在蜂窩網絡覆蓋范圍內可以在任何地方連接到互聯網。WiFi的不足是智能設備移動范圍小，藍牙的短板是設備不能直連云端和組網能力弱，而WWAN既可以隨時移動，也可以隨時聯網，完美彌補了WiFi和Bluetooth的不足。但實際上它也存在二個短板：一是它在使用的過程中會產生費用，二是網絡狀況不穩定，常常遇到無網或弱網的環境。使用場景例舉：車載智能設備，政府的城市公共自行車。

3 無線模塊類型的選擇分析

前面介紹了主流的三種無線技術，下面是一些特殊場景用到的無線技術類型。

3.1 ZigBee的使用

ZigBee是基于IEEE802.15.4標準的低功耗局域網協議。根據國際標準規定，ZigBee技術是一種短距離、低功耗的無線通信技術。一種低速短距離傳輸的無線網絡協議。ZigBee協議從下到上分別為物理層（PHY）、媒體訪問控制層（MAC）、傳輸層（TL）、網絡層（NWK）、應用層（APL）等。其中物理層和媒體訪問控制層遵循IEEE 802.15.4標準的規定。

在全屋智能（精裝修智能房屋）的場景中，從交付開始，家中就已存在大量IoT設備，如果使用WiFi方案，每個設備配網會非常麻煩，并且WiFi每次做移動或修改密碼，智能設備都要做相應的調整。如果使用藍牙方案，以目前的BLE 4.2標準來說，藍牙的組網只能一個Central連接7個外設（部分芯片會有能力擴充，因為比較少見，所以這里忽略），藍牙組網能力弱，也滿足不了需求。所以在全屋智能場景中，經常會使用ZigBee+WiFi的二合一網關。ZigBee和藍牙一樣都是近距離低功耗的通訊技術，但它相比藍牙最大的優勢就是強大的組網能力，ZigBee和WiFi的二合一網關通過ZigBee連接IoT設備，通過WiFi將數據同步到云端。

3.2 Sub-1GHz的使用

Sub-GHz是（即頻率為1GHz以下，27MHz～960MHz）是無線通信的重要領域之一，應用涵蓋消費電子、汽車、工業和醫療等。如TV/STB/VCR/DVD/音頻設備遙控器、高端無限玩具、車庫門遙控開關、照明控制、門遙控開關、無線POS機、無線健康監測器、穿戴式監控設備等，應用非常廣泛。

飛行器常常在沒有WiFi，山上等GPRS無信號或弱網的環境中使用，而且通常有較遠的飛行距離，這樣WiFi、Bluetooth、ZigBee和WWAN這種單一的無線模塊不能很好的解決飛行器的通訊需求，所以需要多種無線模塊的組合使用。通過Bluetooth讓遙控器和手機連接，通過Sub-1GHz處理長距離飛行時飛行器和遙控器的通訊，通過其他波長處理中距離或短距離飛行中的數據通信。這種組合既能滿足手機操控，又能在中距離有高質量的圖像數據，在遠距離還能繼續控制。同樣功能的設備不一定選相同的通訊模塊。

3.3 Z-Wave的使用

Z-Wave是由丹麥公司Zensys所主導的無線組網規格，Z-Wave是一種新興的基于射頻的、低成本、低功耗、高可靠、適于網絡的短距離無線通信技術和窄帶寬應用場合，有力地推動著低速率無線個人區域網。

4 總結

本文淺嘗輒止地介紹了IoT方向的一些無線通信技術以及IoT模型選擇的思考。而隨著IoT的飛速發展，也許幾年后就會出現一些殺手級的方案完全改變IoT的現狀和格局。而NB-IoT就是針對IoT的使用場景，其最大特色是覆蓋面廣，價格便宜。NB-IoT現在聯盟的力量很強大，大部分芯片商、通訊商、電信運營商都參與其中，積極推進NB-IoT的公共網絡建設，就在這一年兩內NB-IoT的網絡會覆蓋國內很多地區，未來潛力非常值得關注。

參考文獻

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