物聯(lián)網(wǎng)中無線通信技術(shù)應(yīng)用分析

程家豪

摘 要：無線通信技術(shù)在整個物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景中起著關(guān)鍵作用。針對目前龐雜的無線通信技術(shù)做系統(tǒng)的分類、性能比對，同時結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用案例探討如何根據(jù)不同場景選取對應(yīng)的無線通信技術(shù)做支撐。通過對不同技術(shù)從范圍、功耗、通信速率、網(wǎng)絡(luò)容量等方面的比較及對未來無線通信技術(shù)的發(fā)展趨勢的預(yù)測，給物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用部署時提供技術(shù)選取方案。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng);無線通信;網(wǎng)絡(luò)容量;低功耗廣域網(wǎng);應(yīng)用案例;通信速率

0 引 言

物聯(lián)網(wǎng)的實(shí)踐最早可追述到1990年Xerox公司的網(wǎng)絡(luò)可樂販賣機(jī)。這臺可樂機(jī)1985年5月就已經(jīng)聯(lián)網(wǎng)了，用戶可以向其發(fā)送郵件獲取它的狀態(tài)，這是最早的物聯(lián)網(wǎng)雛形[1]。2005年，國際電信聯(lián)盟進(jìn)一步擴(kuò)展了“物聯(lián)網(wǎng)”的概念，在發(fā)布的《ITU互聯(lián)網(wǎng)報告2005：物聯(lián)網(wǎng)》中提出了任何時刻、任何地點(diǎn)、任意物體之間互聯(lián)，無所不在的網(wǎng)絡(luò)和無所不在的計算的發(fā)展愿景[2-3]。2008年，歐盟通過《The Internet of Things in 2020》報告對物聯(lián)網(wǎng)定義進(jìn)一步明確，認(rèn)為物聯(lián)網(wǎng)是由在智能空間中使用智慧接口與用戶、社會和環(huán)境進(jìn)行通信的具有標(biāo)示、虛擬個性物體或?qū)ο笏M成的網(wǎng)絡(luò)。伴隨著傳感器技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、芯片技術(shù)等的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)在近幾年的發(fā)展勢頭更加迅猛，中國信息通信研究院發(fā)布的《物聯(lián)網(wǎng)白皮書（2018）》中指出，全球物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)規(guī)模由2008年的500億美元增長至2018年的近1 510億美元[4]。物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展和無線通技術(shù)發(fā)展密不可分。不同的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景需要采用與之對應(yīng)的通信技術(shù)，目前的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景中如：農(nóng)林牧漁業(yè)、智能制造、物流、智慧交通、智慧城市等多采用的是無線通信技術(shù)作為信息傳播手段，無線通信技術(shù)的選取決定了整個物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的性能。這些性能包括數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾省⒔K端設(shè)備通信功耗、通信安全性、系統(tǒng)容量、部署范圍等。

1 物聯(lián)網(wǎng)中的無線通信技術(shù)

當(dāng)前主流物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)由感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層組成，如圖1所示。感知層實(shí)現(xiàn)對物理世界的感知識別、信息采集處理和自動控制，并通過通信模塊將感知層設(shè)備連接到網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。網(wǎng)絡(luò)層主要實(shí)現(xiàn)信息的傳遞、路由和控制，網(wǎng)絡(luò)層包括接入網(wǎng)、核心網(wǎng)及其他網(wǎng)絡(luò)，可以依托電信網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)，也可依托其他專用通信網(wǎng)絡(luò)。應(yīng)用層包括應(yīng)用支撐子層和應(yīng)用服務(wù)子層。無線通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)感知層和網(wǎng)絡(luò)層的互通，可以通過無線通信使終端設(shè)備接入互聯(lián)網(wǎng)，也可以構(gòu)建專用網(wǎng)絡(luò)。

物聯(lián)網(wǎng)中的無線通信技術(shù)很多，主要可分為兩大類：短距離通信技術(shù)和低功率廣域網(wǎng)（Low-Power Wide-Area Network，LPWAN）。

短距離通信技術(shù)包括ZigBee，WiFi，Bluetooth，Z-Wave，NFC，UWB等;LPWAN主要有窄帶物聯(lián)網(wǎng)（Narrow-Band Internet of Things，NB-IoT），Weightless，遠(yuǎn)距離無線電（Long Rang Radio，LoRa），SigFox等。圖2是按照通信距離對物聯(lián)網(wǎng)無線通信技術(shù)的一個分類[5]。

1.1 短距離無線通信

ZigBee是基于IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的近距離無線組網(wǎng)通信技術(shù)，我國使用的是ISM頻段，頻率為2.4 GHz，帶寬為5 Hz，共分配了27個信道，采用調(diào)頻技術(shù)。ZigBee的特點(diǎn)如下：傳輸可靠性強(qiáng);網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)量大，理論上可到65 000個;傳輸功耗低、成本低;傳輸安全性較高;網(wǎng)絡(luò)自愈能力強(qiáng)。由于具備這些特點(diǎn)，ZigBee技術(shù)已被廣泛的應(yīng)用到各種實(shí)際場景中，比如智能家居系統(tǒng)、電器設(shè)備溫度采集系統(tǒng)、水表抄表系統(tǒng)等[6]。

WiFi全稱Wireless Fidelity，是一種商業(yè)認(rèn)證，具有WiFi認(rèn)證的產(chǎn)品符合IEEE 802.11a/b/n/g無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)范。目前家庭、辦公、公共場所的無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境離不開WiFi技術(shù)的支持。

Bluetooth又稱藍(lán)牙，由Ericsson，Nokia，Toshiba，IBM，Intel五家公司于1998年5月聯(lián)合宣布的一種無線通信技術(shù)。

Z-Wave是由丹麥公司Zensys設(shè)計的無線組網(wǎng)規(guī)格，其是一種新興的基于射頻的、低成本、低功耗、高可靠的短距離無線通信技術(shù)，但缺乏國際標(biāo)準(zhǔn)為其依靠，主要應(yīng)用于家庭自動化領(lǐng)域[7]。其功耗遠(yuǎn)低于WiFi跟藍(lán)牙，在智能家居的應(yīng)用領(lǐng)域占有一定優(yōu)勢。

近距離無線通信（Near Field Communication，NFC）技術(shù)是由非接觸式射頻識別（RFID）及互連互通技術(shù)整合演變而來。NFC使用電磁感應(yīng)來傳輸信息，并向下兼容RFID，由于采用電感耦合技術(shù)，使得設(shè)備之間配對非常快，對于需要快速連接的場景非常適用。

超寬帶（Ultra Wide Band，UWB）技術(shù)指的是一種基帶傳輸或無載波通信技術(shù)，利用納秒級的非正弦波窄脈沖傳輸數(shù)據(jù)，最初是美國軍方用在軍用雷達(dá)上的技術(shù)。2002年4月，美國聯(lián)邦通信委員會（Federal Communications Commission，F(xiàn)CC）制定了超寬帶無線設(shè)備規(guī)定，批準(zhǔn)了UWB技術(shù)用于民用[8]。目前的超寬帶已經(jīng)不單單指代脈沖通信了，而是包含了所有采用超寬頻譜的通信方式。另外，室內(nèi)超寬帶通信的目前占用的頻譜為3.1～10.6 GHz。UWB技術(shù)以其功耗低、高速率、抗干擾能力強(qiáng)等特性在軍事、醫(yī)療、多媒體等方面有廣泛的應(yīng)用。

下面對幾種短距離無線通信技術(shù)從頻段、傳輸距離、傳輸速率、安全性、應(yīng)用場景等方面進(jìn)行比較，如表1所示。

表1中的通信距離僅是單段傳輸距離的理論值，實(shí)際的傳輸距離還必須要根據(jù)發(fā)射功率的大小、中繼節(jié)點(diǎn)的使用情況、是否有障礙物遮擋、同頻干擾等因素而定。

1.2 低功耗廣域網(wǎng)絡(luò)

LPWAN是當(dāng)今物聯(lián)網(wǎng)接入網(wǎng)技術(shù)的主要熱點(diǎn)之一，伴隨著物聯(lián)網(wǎng)及相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，未來的物物互聯(lián)是必然趨勢。很多場景需要進(jìn)行長距離通信，而LWPAN技術(shù)就是為解決長距離、低成本等問題而產(chǎn)生的，旨在實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)中分布廣泛、數(shù)量極大的“物”之間的互聯(lián)互通。本文主要介紹時下國內(nèi)和國際上關(guān)注較多的技術(shù)如：LoRa，NB-IoT，SigFox，Weighteless。

LoRa是由美國Semtech公司于2013年8月發(fā)布的，剛發(fā)布就獲得了業(yè)界的極大關(guān)注。目前全球已有超過500個成員加入了LoRa聯(lián)盟，國內(nèi)中興、阿里、騰訊都在布局LoRa物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)。LoRa作為一種無線技術(shù)，基于Sub-GHz（即頻率為1 GHz以下，27～960 MHz）的頻段，采用了線性調(diào)頻技術(shù)，使用較寬信號帶寬進(jìn)行無線信號傳輸，使得其具有較強(qiáng)的對抗衰弱和多普勒效應(yīng)的能力。這使得LoRa技術(shù)具有傳輸距離遠(yuǎn)、功耗低的特點(diǎn)，能夠滿足物聯(lián)網(wǎng)、智慧城市、智能家居、智能制造等領(lǐng)域的通信要求。

NB-IoT是由3GPP負(fù)責(zé)標(biāo)準(zhǔn)化，它基于現(xiàn)有的移動蜂窩網(wǎng)絡(luò)，使用LTE的無線技術(shù)，使得運(yùn)營商能夠低成本高效地進(jìn)行物聯(lián)網(wǎng)市場布局[9-10]。NB-IoT標(biāo)準(zhǔn)化經(jīng)過一系列的討論和協(xié)商才形成了統(tǒng)一的國際標(biāo)準(zhǔn)，圖4為NB-IoT演進(jìn)過程。NB-IoT具備4大特點(diǎn)：廣覆蓋，具有164 dB最大耦合損耗，比GPRS高20 dB，覆蓋面積大100倍;大連接，一個扇區(qū)支持10萬個連接;低功耗，終端模塊待機(jī)時間長達(dá)10年;模塊成本低，目前NB-IoT模塊價格已下降到20元左右。

SigFox成立于2009年，是一家法國公司，總部位于法國圖魯斯。由于其在歐洲的成功營銷活動，SigFox在LPWAN領(lǐng)域具有顯著的吸引力。它還擁有龐大的供應(yīng)商生態(tài)系統(tǒng)，包括德州儀器，Silicon Labs和Axom。SigFox工作于非授權(quán)頻譜，是一種采用超窄帶（Utral Narrow Band，UNB）技術(shù)，使用較低的調(diào)制速率來實(shí)現(xiàn)更長的傳輸范圍，主要應(yīng)用于低功耗、低數(shù)據(jù)量的物聯(lián)網(wǎng)或M2M連接方案，能夠與WiFi、藍(lán)牙相兼容。由于這種設(shè)計選擇，SigFox是僅需要發(fā)送較小的，不頻繁的數(shù)據(jù)突發(fā)的應(yīng)用的絕佳選擇，可用于包括停車傳感器，水表或智能垃圾桶等情景[11，12]。

Weightless是一組物聯(lián)網(wǎng)無線通信標(biāo)準(zhǔn)，由國際IoT/M2M標(biāo)準(zhǔn)組織WeightlessSIG（SpecialInterestGroup，特別興趣組）主導(dǎo)和管理，標(biāo)準(zhǔn)免費(fèi)供其他成員使用。WeightlessSIG是一個非盈利性的全球標(biāo)準(zhǔn)組織，成員有Accenture，ARM，M2COMM。Weightless既可以工作在Sub-1GHz免授權(quán)頻段，也可工作在授權(quán)頻段。Weightless是一組開放的標(biāo)準(zhǔn)，目前有Weightless-W，Weightless-N和Weightless-P三項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)。Weightless-W針對TV頻段未使用的頻譜，該頻譜不具備普適性，阻礙了該技術(shù)的發(fā)展。因此WeightlessSIG又發(fā)布新的Weightless-N，使用了超窄帶技術(shù)，提供數(shù)千米的通信范圍。Weightless-P可提供雙向通信，速率在100 Kb/s內(nèi)時通信服務(wù)質(zhì)量最佳。

LPWAN中的各種技術(shù)是為了滿足大規(guī)模、廣覆蓋、低功耗、低時延等物聯(lián)網(wǎng)場景而提出的。在進(jìn)行通信技術(shù)選擇的同時還需要考慮成本、復(fù)雜度、可擴(kuò)展性、頻段資源等因素[13]。表2為LPWAN中幾種技術(shù)的比對，從中可以看出NB-IoT的傳輸速率最快[14]。

2 物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景中的無線通信技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用場景非常多，如：智能家居、可穿戴設(shè)備、車聯(lián)網(wǎng)、農(nóng)業(yè)、交通、物流、倉儲、醫(yī)療、工業(yè)、電力傳輸?shù)取２煌膱鼍靶枰臒o線通信技術(shù)是不同的，需要綜合考慮通信距離、數(shù)據(jù)傳輸速率、功耗、安全性、時延、同頻干擾等因素。下面以兩個具體案例說明無線通信技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中起的作用。

2.1 智能抄表

在20世紀(jì)80年代中期遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)就出現(xiàn)了。相比于傳統(tǒng)的人工抄表方式，遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了自動讀取表上數(shù)據(jù)，且方便統(tǒng)一管理。遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)由智能儀表、通信網(wǎng)絡(luò)、后臺服務(wù)器組成。圖4是NB-IoT智能抄表系統(tǒng)架構(gòu)圖，通信網(wǎng)絡(luò)部分負(fù)責(zé)將儀表的數(shù)據(jù)傳輸至服務(wù)器，此過程中可以采用GPRS/GSM技術(shù)，ZigBee，WiFi，Bluetooth，也有最近幾年出現(xiàn)的NB-IoT，LoRa等技術(shù)[15]。

對于短距離通信技術(shù)ZigBee，WiFi，Bluetooth而言，通信距離限制了其應(yīng)用場景;GPRS/GSM技術(shù)則面臨著退網(wǎng)危機(jī);目前的發(fā)展趨勢是以NB-IoT為代表的LPWAN技術(shù)作為抄表系統(tǒng)的通信技術(shù)。NB-IoT可直接在運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上部署，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)容量巨大，其低功耗、長距離、穿透能力強(qiáng)等特點(diǎn)，非常適合小區(qū)這樣的高密集度抄表場景。

2.2 智慧農(nóng)業(yè)

智慧農(nóng)業(yè)，簡單來說就是農(nóng)業(yè)加物聯(lián)網(wǎng)解決方案。通過借助各種傳感器監(jiān)測農(nóng)業(yè)生產(chǎn)環(huán)境中的各項(xiàng)指標(biāo)，使用終端監(jiān)測設(shè)備將數(shù)據(jù)經(jīng)過有線/無線通信方式將數(shù)據(jù)回傳至服務(wù)器端，在管理終端顯示數(shù)據(jù)信息，同時可以通過管理終端對各種傳感器或設(shè)備進(jìn)行指令控制，在管理和控制的決策中還需要用到云計算、大數(shù)據(jù)等現(xiàn)代信息技術(shù)。隨著物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用落地，傳統(tǒng)農(nóng)業(yè)在逐漸向智慧農(nóng)業(yè)轉(zhuǎn)型。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中實(shí)時監(jiān)控農(nóng)作物的生長狀況和環(huán)境指標(biāo)，對農(nóng)業(yè)的發(fā)展有重大意義[16]。

以智慧大棚監(jiān)控系統(tǒng)為例，可實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)環(huán)境的自動監(jiān)測、高清攝像頭視頻監(jiān)控、大棚設(shè)備自動化控制以及智能大棚農(nóng)業(yè)監(jiān)測云平臺功能。圖5為智慧大棚監(jiān)控系統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)方案。

其中農(nóng)業(yè)傳感設(shè)備能夠自動監(jiān)測環(huán)境，利用傳感器采集各種環(huán)境參數(shù)，然后基于LoRa傳輸協(xié)議將數(shù)據(jù)上傳給LoRa網(wǎng)關(guān)，LoRa網(wǎng)關(guān)在通過IP協(xié)議將數(shù)據(jù)上傳到云服務(wù)器，然后云平臺根據(jù)數(shù)據(jù)發(fā)送相應(yīng)指令給自動控制設(shè)備，實(shí)現(xiàn)實(shí)時溫控、灌溉等功能。LoRa通信范圍廣，功耗低非常適合農(nóng)業(yè)場景的需求。

3 結(jié) 語

隨著物聯(lián)網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)產(chǎn)業(yè)的升級，物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展即將進(jìn)入新的階段，IPv6標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)模部署使得每個物體都能分配到IP地址，不同無線通信技術(shù)得以在不同應(yīng)用場景中發(fā)揮其作用，萬物互聯(lián)正在逐步成為現(xiàn)實(shí)。2019年，5G正式進(jìn)入商用，高速率、低時延的特點(diǎn)非常適合車聯(lián)網(wǎng)這個場景，工業(yè)控制、智慧交通、智慧農(nóng)業(yè)等等領(lǐng)域都向著物聯(lián)網(wǎng)方向靠攏，智能家居更是人們生活中就能體會到的變化。各種物聯(lián)網(wǎng)場景需要與之匹配無線通信技術(shù)支持，需要綜合考慮距離、網(wǎng)絡(luò)容量、時延、安全性、功耗、部署成本、部署時間、同頻干擾等因素。同時，多種無線技術(shù)可以結(jié)合起來使用，以適用不同的場景需求。

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