淺談物聯(lián)網(wǎng)（IoT）時代的無線通訊技術(shù)及通信模型

汪娟

摘 要：大型物聯(lián)平臺的出現(xiàn)是現(xiàn)今市場需求的必然結(jié)果，智能設(shè)備數(shù)量和種類持續(xù)增長以及芯片廠商不斷的技術(shù)突破，新的使用領(lǐng)域和互聯(lián)場景不斷出現(xiàn)，物聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)進(jìn)入到一個快速增長和爆發(fā)的時代。網(wǎng)絡(luò)通訊作為物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)，IoT項目如何進(jìn)行通訊技術(shù)選型至關(guān)重要。本文詳述了當(dāng)下熱門IoT通訊技術(shù)的特點以及在實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)通信模型設(shè)計方面的一些思考。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)（IoT）；無線通信技術(shù)；選型；通信模型

1 什么是物聯(lián)網(wǎng)

物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things， IoT）是指嵌入式物理設(shè)備，如：汽車、家用電器等，具有計算機(jī)化系統(tǒng)，如軟件、傳感器等，通過智能感知、識別技術(shù)與計算等通信感知技術(shù)，廣泛應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)的融合中，也因此被稱為繼計算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)之后世界信息產(chǎn)業(yè)發(fā)展的第三次浪潮。在這項技術(shù)中，每一個設(shè)備都能自動工作，根據(jù)環(huán)境變化自動響應(yīng)，與其他或多個設(shè)備交換數(shù)據(jù)，不需要人為參與。整個系統(tǒng)由無線網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)的完美結(jié)合而構(gòu)建。物聯(lián)網(wǎng)的主要目的是提高設(shè)備的效率和準(zhǔn)確性，為人們節(jié)省金錢和時間。

物聯(lián)網(wǎng)終端包括智能手機(jī)、耳機(jī)、汽車、燈泡、冰箱、咖啡機(jī)、安全系統(tǒng)、警報系統(tǒng)還有許多其他家庭和移動設(shè)備。據(jù)有關(guān)專家估計，到2020年物聯(lián)網(wǎng)將連接全球超過300億件物品，全球市值將達(dá)到約7.1萬億美元。

NB-IoT 是當(dāng)前物聯(lián)網(wǎng)中一種革新性的技術(shù)，是由華為主導(dǎo)，由3GPP定義的基于蜂窩網(wǎng)絡(luò)的窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。NB-IoT協(xié)議棧基于LTE設(shè)計，但是根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)的需求，去掉了一些不必要的功能，減少了協(xié)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(yōu)勢讓它非常適合于傳感、計量、監(jiān)控等物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，適用于智能抄表、智能停車、車輛跟蹤、物流監(jiān)控、智慧農(nóng)林牧漁業(yè)以及智能穿戴、智慧家庭、智慧社區(qū)等等領(lǐng)域。這些領(lǐng)域?qū)V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(shù)都無法滿足這些挑戰(zhàn)。

2 物聯(lián)網(wǎng)的通信技術(shù)

“世界上最遙遠(yuǎn)的距離就是沒有網(wǎng)絡(luò)”，網(wǎng)絡(luò)通訊是IoT的基礎(chǔ)，常見的無線網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)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(wǎng)、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(xiàn)階段物聯(lián)網(wǎng)的主力，占所有應(yīng)用的95%以上。ZigBee主要用在全屋智能領(lǐng)域，NB-IoT是目前較為火熱的技術(shù)，是華為主推的新一代物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)，受到市場的青睞。

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

2.1 WiFi

Wi-Fi是一種允許電子設(shè)備連接到一個無線局域網(wǎng)（WLAN）的技術(shù)，通常使用2.4G UHF或5G SHF ISM 射頻頻段。連接到無線局域網(wǎng)通常是有密碼保護(hù)的；但也可是開放的，這樣就允許任何在WLAN范圍內(nèi)的設(shè)備可以連接上。WiFi最大的優(yōu)點是連接快速、持久、穩(wěn)定，它是IoT設(shè)備端連接的首選方案，唯一需要考慮的是智能設(shè)備對WiFi覆蓋范圍的依賴導(dǎo)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(yuǎn)程控制。

2.2 Bluetooth

藍(lán)牙（Bluetooth? ）：是一種無線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，可實現(xiàn)固定設(shè)備、移動設(shè)備和樓宇個人域網(wǎng)之間的短距離數(shù)據(jù)交換（使用2.4～2.485GHz的ISM波段的UHF無線電波）。

Bluetooth最大的優(yōu)點是不依賴于外部網(wǎng)絡(luò)、便攜、低功耗。只要有手機(jī)和智能設(shè)備，就能保持穩(wěn)定的連接，走到哪連到哪。所以大部分運動和戶外使用的設(shè)備都會優(yōu)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(wǎng)能力比較弱。使用場景例舉：智能手環(huán)，共享單車的智能藍(lán)牙鎖，iBeacon定位。

2.3 WWAN

WWAN（Wireless Wide Area Network，無線廣域網(wǎng)）技術(shù)是使得筆記本電腦或者其他的設(shè)備裝置在蜂窩網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)可以在任何地方連接到互聯(lián)網(wǎng)。WiFi的不足是智能設(shè)備移動范圍小，藍(lán)牙的短板是設(shè)備不能直連云端和組網(wǎng)能力弱，而WWAN既可以隨時移動，也可以隨時聯(lián)網(wǎng)，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(chǎn)生費用，二是網(wǎng)絡(luò)狀況不穩(wěn)定，常常遇到無網(wǎng)或弱網(wǎng)的環(huán)境。使用場景例舉：車載智能設(shè)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(shù)，下面是一些特殊場景用到的無線技術(shù)類型。

3.1 ZigBee的使用

ZigBee是基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低功耗局域網(wǎng)協(xié)議。根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，ZigBee技術(shù)是一種短距離、低功耗的無線通信技術(shù)。一種低速短距離傳輸?shù)臒o線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。ZigBee協(xié)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(wǎng)絡(luò)層（NWK）、應(yīng)用層（APL）等。其中物理層和媒體訪問控制層遵循IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)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(shè)備，如果使用WiFi方案，每個設(shè)備配網(wǎng)會非常麻煩，并且WiFi每次做移動或修改密碼，智能設(shè)備都要做相應(yīng)的調(diào)整。如果使用藍(lán)牙方案，以目前的BLE 4.2標(biāo)準(zhǔn)來說，藍(lán)牙的組網(wǎng)只能一個Central連接7個外設(shè)（部分芯片會有能力擴(kuò)充，因為比較少見，所以這里忽略），藍(lán)牙組網(wǎng)能力弱，也滿足不了需求。所以在全屋智能場景中，經(jīng)常會使用ZigBee+WiFi的二合一網(wǎng)關(guān)。ZigBee和藍(lán)牙一樣都是近距離低功耗的通訊技術(shù)，但它相比藍(lán)牙最大的優(yōu)勢就是強(qiáng)大的組網(wǎng)能力，ZigBee和WiFi的二合一網(wǎng)關(guān)通過ZigBee連接IoT設(shè)備，通過WiFi將數(shù)據(jù)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(lǐng)域之一，應(yīng)用涵蓋消費電子、汽車、工業(yè)和醫(yī)療等。如TV/STB/VCR/DVD/音頻設(shè)備遙控器、高端無限玩具、車庫門遙控開關(guān)、照明控制、門遙控開關(guān)、無線POS機(jī)、無線健康監(jiān)測器、穿戴式監(jiān)控設(shè)備等，應(yīng)用非常廣泛。

飛行器常常在沒有WiFi，山上等GPRS無信號或弱網(wǎng)的環(huán)境中使用，而且通常有較遠(yuǎn)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(jī)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(shù)據(jù)通信。這種組合既能滿足手機(jī)操控，又能在中距離有高質(zhì)量的圖像數(shù)據(jù)，在遠(yuǎn)距離還能繼續(xù)控制。同樣功能的設(shè)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(dǎo)的無線組網(wǎng)規(guī)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(wǎng)絡(luò)的短距離無線通信技術(shù)和窄帶寬應(yīng)用場合，有力地推動著低速率無線個人區(qū)域網(wǎng)。

4 總結(jié)

本文淺嘗輒止地介紹了IoT方向的一些無線通信技術(shù)以及IoT模型選擇的思考。而隨著IoT的飛速發(fā)展，也許幾年后就會出現(xiàn)一些殺手級的方案完全改變IoT的現(xiàn)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(xiàn)在聯(lián)盟的力量很強(qiáng)大，大部分芯片商、通訊商、電信運營商都參與其中，積極推進(jìn)NB-IoT的公共網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，就在這一年兩內(nèi)NB-IoT的網(wǎng)絡(luò)會覆蓋國內(nèi)很多地區(qū)，未來潛力非常值得關(guān)注。

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