物聯(lián)網(wǎng)應用技術概論（第2版）課件 第4章 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡層關鍵技術

第4章物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡層關鍵技術《物聯(lián)網(wǎng)技術應用》4.1本章的學習目標1物聯(lián)網(wǎng)接入技術2互聯(lián)網(wǎng)通信技術3短距離無線通信技術4低功耗無線廣域網(wǎng)技術目錄CONTENTS5移動通信技術6衛(wèi)星通信技術PART014.2物聯(lián)網(wǎng)接入網(wǎng)技術串口通信技術概述串口通信在物聯(lián)網(wǎng)接入技術中應該是一個非常重要的組成部分，很多物聯(lián)網(wǎng)底層的感知終端采集的數(shù)據(jù)都會通過串口進行上報，因此，對于一個物聯(lián)網(wǎng)底層應用的開發(fā)工程師亦或是一個嵌入式開發(fā)工程師來說，串口通信將是一個非常熟悉的模塊。例如，目前比較常見的C51單片機通信、ARM的STM32單片機、TI的MSP430單片機等的相關物聯(lián)網(wǎng)底層的開發(fā)都離不開串口通信技術。4.2物聯(lián)網(wǎng)接入網(wǎng)技術相關術語（1）串行通信（SerialCommunication）和并行通信(ParallelCommunication)所謂串行通信，是指通信雙方使用一條或二條數(shù)據(jù)信號線相連，同一時刻，數(shù)據(jù)在一條數(shù)據(jù)信號線上只能按位進行順序傳送，每一位數(shù)據(jù)都占據(jù)一個固定的時間長度。所謂并行通信，是指以字節(jié)（Byte）或字節(jié)的倍數(shù)為傳輸單位，一次傳送一個或一個以上字節(jié)的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)的各位同時進行傳送。計算機的各個總線數(shù)據(jù)的傳輸就是以并行的方式進行的。4.2物聯(lián)網(wǎng)接入網(wǎng)技術相關術語（1）串行通信（SerialCommunication）和并行通信(ParallelCommunication)如右圖所示，串行通信與并行通信相比，串行通信的缺點是速度較低，但是它傳輸線少、成本低、適合遠距離的傳輸，也易于擴展，所以在物聯(lián)網(wǎng)的底層通信方式中，串行通信是一種經(jīng)常采用的通信技術。此外，在計算機上常用的COM、USB、Ethernet、Bluetooth等端口都屬于串行接口。4.2物聯(lián)網(wǎng)接入網(wǎng)技術相關術語（2）異步串行通信（Asynchronousserialcommunication）和同步串行通信（Synchronousserialcommunication）異步串行通信中，接收方和發(fā)送方各自使用自己的時鐘，即它們的工作是非同步的，在異步通信傳輸中，如圖下所示，每一個字符都要用起始位和停止位作為字符的開始和結(jié)束的標識，以字符為單位逐個字符發(fā)送和接收。4.2物聯(lián)網(wǎng)接入網(wǎng)技術4.2物聯(lián)網(wǎng)接入網(wǎng)技術相關術語（2）異步串行通信（Asynchronousserialcommunication）和同步串行通信（Synchronousserialcommunication）異步通信傳輸時，每個字符的組成格式首先用一個起始位表示字符的開始；后面緊跟著的是字符的數(shù)據(jù)字，數(shù)據(jù)字通常是7位或8位數(shù)據(jù)（低位在前，高位在后），在數(shù)據(jù)字中可根據(jù)需要加入奇偶校驗位；最后是停止位，其長度可以是一位或兩位。串行傳送的數(shù)據(jù)字加上成幀信號的起始位和停止位就形成了一個串行傳送的幀。起始位用邏輯“0”低電平表示，停止位用邏輯“1”高電平表示。4.2物聯(lián)網(wǎng)接入網(wǎng)技術相關術語（2）異步串行通信（Asynchronousserialcommunication）和同步串行通信（Synchronousserialcommunication）在異步通信數(shù)據(jù)傳送中，通信雙方必須約定好兩項事宜：字符格式。包括字符的編碼形式、奇偶校驗以及起始位和停止位的規(guī)定。通信速率。通信速率通常使用比特率來表示。4.2物聯(lián)網(wǎng)接入網(wǎng)技術相關術語（2）異步串行通信（Asynchronousserialcommunication）和同步串行通信（Synchronousserialcommunication）同步串行通信是一種連續(xù)串行傳輸數(shù)據(jù)的通信方式，通信時，一次只傳送一幀信息。同步通信的信息幀與異步通信的字符幀不同，其一般包含若干個字符數(shù)據(jù)。根據(jù)數(shù)據(jù)鏈路控制規(guī)程，數(shù)據(jù)格式分為面向字符的數(shù)據(jù)傳輸和面向比特的數(shù)據(jù)傳輸兩種。其中，面向字符型的同步通信數(shù)據(jù)格式可采用單同步、雙同步和外同步三種格式，如下圖所示。單同步和雙同步均由SYNC同步字符、數(shù)據(jù)字節(jié)字符和CRC校驗字符等三部分組成，單同步是指在傳送數(shù)據(jù)之前先傳送一個“SYNC”，而雙同步則先傳送兩個“SYNC”。外同步的數(shù)據(jù)格式中沒有同步字符，而是用一條專用控制線來傳送同步字符，來實現(xiàn)接收端及發(fā)送端的同步。4.2物聯(lián)網(wǎng)接入網(wǎng)技術4.2物聯(lián)網(wǎng)接入網(wǎng)技術相關術語（2）異步串行通信（Asynchronousserialcommunication）和同步串行通信（Synchronousserialcommunication）面向比特型的同步通信數(shù)據(jù)格式如下圖所示，它是根據(jù)同步數(shù)據(jù)鏈路控制規(guī)程（SDLC），將面向比特型的數(shù)據(jù)幀分為六個部分組成：4.2物聯(lián)網(wǎng)接入網(wǎng)技術相關術語（2）異步串行通信（Asynchronousserialcommunication）和同步串行通信（Synchronousserialcommunication）面向比特型的數(shù)據(jù)幀分為六個部分組成：第一部分：開始標志“7EH”；第二部分：一個字節(jié)的地址場；第三部分：一個字節(jié)的控制場；第四部分：需要傳送的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)都是位（bit）的集合；第五部分：兩個字節(jié)的循環(huán)冗余碼CRC；第六部分：“7EH”，作為結(jié)束標志。4.2物聯(lián)網(wǎng)接入網(wǎng)技術相關術語（3）串口串口是用于實現(xiàn)串行通信的物理接口的統(tǒng)稱。串口的出現(xiàn)是在1980年左右，最初，它是為了實現(xiàn)連接計算機外設為目的，比如連接鼠標、外置Modem、寫字板等設備。串口還可以用于兩臺計算機（或設備）之間的互連及數(shù)據(jù)傳輸。目前，大部分便攜式筆記本電腦的主板上已經(jīng)開始取消這個接口，而是將它更多地用于工業(yè)控制和測量設備以及部分通信設備中，例如，很多物聯(lián)網(wǎng)的終端設備中將采用此接口。第一部分：開始標志“7EH”；4.2物聯(lián)網(wǎng)接入網(wǎng)技術相關術語（3）串口按照通信的方式，串口又分為同步串行接口（SynchronousSerialInterface，SSI）和異步串行接口（UniversalAsynchronousReceiver/Transmitter,UART），即通用異步接收和發(fā)送器。UART是一個并行輸入轉(zhuǎn)為串行輸出的芯片，一般集成在主板上，它包含TTL電平的串口和RS232電平的串口。TTL電平是3.3V，RS232是負邏輯電平，+5V~+12V為低電平，-12V~-5V為高電平。一般串口有兩種物理標準，即D型9針接口（D9型接口）和4針杜邦接口兩種。4.2物聯(lián)網(wǎng)接入網(wǎng)技術相關術語（3）串口如下圖所示是目前在電路板上比較常見的4針UART串口，有的還帶有杜邦插針。UART一般有4個PIN引腳，即VCC（電源）、GND（接地）、RX（接收）和TX（發(fā)送），用TTL電平，低電平為0（0V），高電平為1（3.3V或以上）。4.2物聯(lián)網(wǎng)接入網(wǎng)技術相關術語（3）串口如下圖所示是D9型接口，常見于計算機的主板上，該種接口的協(xié)議有RS-232和RS485兩種。4.2物聯(lián)網(wǎng)接入網(wǎng)技術相關術語（4）波特率（Baudrate）和比特率（Bitrate）在數(shù)據(jù)通信的信道中，攜帶數(shù)據(jù)信息的信號單元一般稱之為碼元，它表示單位時間內(nèi)載波調(diào)制狀態(tài)或信號狀態(tài)變化的次數(shù)，即每秒鐘通過信道傳輸?shù)拇a元的數(shù)量稱為碼元傳輸速率，也就是波特率，波特率也可以稱之為符號速率（SymbolRate）和調(diào)制速率（ModulationRate）。它是傳輸信道頻寬的一個重要指標。比特率是指在單位時間內(nèi)傳輸?shù)谋忍兀╞it）數(shù)，單位為“bitpersecond”(bit/s)。在通信和計算機領域，比特率指的是信號（用數(shù)字二進制位表示）通過系統(tǒng)處理或傳輸?shù)乃俾?，也就是單位時間內(nèi)處理或傳輸二進制位的數(shù)據(jù)量。4.2物聯(lián)網(wǎng)接入網(wǎng)技術相關術語（4）波特率（Baudrate）和比特率（Bitrate）波特率和比特率有時會被混淆，比特率實際上是對數(shù)據(jù)傳輸率的度量，而波特率則是單位時間內(nèi)碼元符號的個數(shù)，通過不同的調(diào)制方法可以在一個碼元上承載多個比特信息。例如，在兩相調(diào)制中（即單個調(diào)制狀態(tài)對應一個二進制位的比特率），比特率的數(shù)值是等同于波特率的；在四相調(diào)制中（即單個調(diào)制狀態(tài)對應兩個二進制位）的比特率是波特率的2倍；在八相調(diào)制中（即單個調(diào)制狀態(tài)對應三個二進制位）的比特率是波特率的3倍；以此類推，可以知道波特率和比特率的關系是：比特率=波特率×單個調(diào)制狀態(tài)對應的二進制位數(shù)。4.2物聯(lián)網(wǎng)接入網(wǎng)技術串口調(diào)試軟件串口調(diào)試軟件室串口調(diào)試的相關工具，目前有較多支持串口調(diào)試的軟件，如下圖所示，SSCOM就是其中一款串口調(diào)試軟件，可以打開PC上開啟的串口（端口），并可以向其發(fā)送數(shù)據(jù)，也可以接收串口反饋的數(shù)據(jù)。4.2物聯(lián)網(wǎng)接入網(wǎng)技術4.2物聯(lián)網(wǎng)接入網(wǎng)技術PART024.3互聯(lián)網(wǎng)通信技術物聯(lián)網(wǎng)要實現(xiàn)物體之間信息的連接和移動，因此需要網(wǎng)絡作為連接橋梁?；ヂ?lián)網(wǎng)是物聯(lián)網(wǎng)的重要承載網(wǎng)絡。計算機網(wǎng)絡技術是通信技術與計算機技術相結(jié)合的產(chǎn)物。4.3互聯(lián)網(wǎng)通信技術局域網(wǎng)技術局域網(wǎng)（LocalAreaNetwork），簡稱LAN，是指在某一區(qū)域內(nèi)由多臺計算機互聯(lián)而成的計算機集合。這里提到的“某一區(qū)域”可以是同一辦公室、同一建筑物或樓群間等，范圍一般是十公里以內(nèi)。局域網(wǎng)（LAN）上的每一臺計算機（或其他網(wǎng)絡設備）都有一個或多個局域網(wǎng)IP地址，這個地址稱為私網(wǎng)或內(nèi)網(wǎng)IP地址，局域網(wǎng)IP地址是局域網(wǎng)內(nèi)部分配的，不同局域網(wǎng)的IP地址可以重復。局域網(wǎng)可以實現(xiàn)文件管理、應用軟件共享、打印機共享、掃描儀共享、工作組內(nèi)的日程安排、電子郵件和傳真通信服務等功能。4.3互聯(lián)網(wǎng)通信技術局域網(wǎng)技術以太網(wǎng)（Ethernet）當前局域網(wǎng)通信技術中應用最廣泛的一種，它是IEEE組織的IEEE802.3小組制定的技術標準，它規(guī)定了物理層的接線規(guī)范、電子信號規(guī)范以及介質(zhì)訪問控制協(xié)議等方面的內(nèi)容。目前以太網(wǎng)的傳輸?shù)乃俾士蛇_到10Mbps|100Mbps|1000Mbps,高速以太網(wǎng)網(wǎng)的傳輸速率還可以可達到10Gbps/S。目前，以太網(wǎng)通信技術在物聯(lián)網(wǎng)通信中也起到一個非常重要的作用，它可以通過交換機，將連接到串口服務器的物聯(lián)網(wǎng)終端進行互聯(lián)，如下圖所示，物聯(lián)網(wǎng)終端采集的數(shù)據(jù)可以通過相應轉(zhuǎn)換后，利用現(xiàn)有的以太網(wǎng)通信技術進行互聯(lián)。4.3互聯(lián)網(wǎng)通信技術4.3互聯(lián)網(wǎng)通信技術廣域網(wǎng)技術廣域網(wǎng)（WAN，WideAreaNetwork）也稱遠程網(wǎng)，通常所覆蓋的范圍從幾十公里到幾千公里，它能連接多個城市或國家形成國際性的遠程網(wǎng)絡。廣域網(wǎng)是由許多交換機組成的，交換機之間采用點到點線路連接，幾乎所有的點到點通信方式都可以用來建立廣域網(wǎng)，包括租用線路、光纖、微波、衛(wèi)星信道。4.3互聯(lián)網(wǎng)通信技術廣域網(wǎng)技術廣域網(wǎng)上的每一臺計算機（或其他網(wǎng)絡設備）都有一個或多個廣域網(wǎng)IP地址，這個IP地址稱為公網(wǎng)地址，要從ISP處申請獲得，廣域網(wǎng)IP地址不能重復。廣域網(wǎng)的通信子網(wǎng)主要使用分組交換技術，可以利用公用分組交換網(wǎng)、衛(wèi)星通信網(wǎng)和無線分組交換網(wǎng)等。它將分布在不同地區(qū)的局域網(wǎng)或計算機系統(tǒng)互連起來，達到資源共享的目的?；ヂ?lián)網(wǎng)（Internet）是世界范圍內(nèi)最大的廣域網(wǎng)。4.3互聯(lián)網(wǎng)通信技術接入網(wǎng)技術所謂接入網(wǎng)是指骨干網(wǎng)絡到用戶終端之間的所有設備。其長度一般為幾百米到幾公里，被形象地稱為“最后一公里”。由于骨干網(wǎng)一般采用光纖結(jié)構，傳輸速度快，因此，接入網(wǎng)便成為了整個網(wǎng)絡系統(tǒng)的瓶頸。接入網(wǎng)的接入方式包括銅線（普通電話線）接入、光纖接入、光纖同軸電纜（有線電視電纜）混合接入、無線接入和以太網(wǎng)接入等幾種方式。4.3互聯(lián)網(wǎng)通信技術PART034.4短距離無線通信技術

無線通信網(wǎng)絡是利用無線通信通信技術、通信設備、通信標準和協(xié)議等組成的通信網(wǎng)絡。根據(jù)通信距離不同，無線網(wǎng)絡分為無線個域網(wǎng)、無線局域網(wǎng)、無線城域網(wǎng)和無線廣域網(wǎng)。4.4

短距離無線通信技術

無線個域網(wǎng)（WPAN,WirelessPersonalAreaNetwork）位于整個網(wǎng)絡鏈的末端，用于實現(xiàn)同一地點終端與終端間的連接，如連接手機和藍牙耳機等。WPAN所覆蓋的范圍一般在10m半徑以內(nèi)，必須運行于許可的無線頻段。WPAN設備具有價格便宜、體積小、易操作和功耗低等優(yōu)點。 IEEE、ITU等組織都致力于WPAN標準的研究，其中IEEE組織對WPAN的規(guī)范標準主要集中在802.15系列。支持無線個人局域網(wǎng)的技術包括：藍牙、ZigBee、超頻波段（UWB）、Z-WAVE、IrDA、HomeRF等。4.4

短距離無線通信技術藍牙技術藍牙標準是在1998年，由愛立信、諾基亞、IBM等公司共同推出的，即后來的IEEE802.15.1標準。藍牙技術為固定設備或移動設備之間的通信環(huán)境建立通用的無線空中接口。藍牙技術利用時分多址、高度調(diào)頻燈光方法進行數(shù)據(jù)傳遞。當前，藍牙技術的發(fā)展方向重點在于移動設備方面，目標是能夠有效的簡化移動設備同計算機之間的數(shù)據(jù)傳遞過程，同時具備較強的工作效率。4.4

短距離無線通信技術藍牙技術藍牙無線通信技術工作于2.4GHz的工業(yè)基礎設施（InstituteforSupplyManagement,ISM）頻段，采用1600跳/s的快速跳頻技術、正向糾錯編碼（FEC）技術和FM調(diào)制方式，設備簡單，支持點對點、點對多點通信。藍牙的具有點對點的超低功耗的特性，它將是物聯(lián)網(wǎng)連接的一個重要連接方式。2016年6月17日，藍牙技術聯(lián)盟在倫敦正式發(fā)布了藍牙5.0的技術標準，該標準在性能上將遠超以往版本的藍牙技術，如有效傳輸距離是藍牙4.2的4倍，傳輸速率是藍牙4.2的2倍，最高速率可達24Mbps。4.4

短距離無線通信技術藍牙技術基于藍牙技術的設備在網(wǎng)絡中所扮演的角色有主設備和從設備之分。主設備負責設定跳頻序列，從設備必須與主設備保持同步。主設備負責控制主從設備之間的業(yè)務傳輸時間與速率。在組網(wǎng)方式上，通過藍牙設備中的主設備與從設備可以形成一點到多點的連接，即在主設備周圍組成一個微微網(wǎng)，網(wǎng)內(nèi)任何從設備都可與主設備通信，而且這種連接無須任何復雜的軟件支持，但是一個主設備同時最多只能與網(wǎng)內(nèi)的7個從設備相連接進行通信。同樣，在一個有效區(qū)域內(nèi)多個微微網(wǎng)通過節(jié)點橋接可以構成散射網(wǎng)。4.4

短距離無線通信技術ZigBee技術ZigBee（譯名“紫蜂”）是一種新興的短距離、低功率、低速率無線接入技術。2001年8月，ZigBeeAlliance正式成立，2004年ZigBee的第一個版本V1.0正式誕生，2006年，ZigBee2006推出，修改了V1.0版本中存在的一些錯誤，并對其進行了完善，2007年，ZigBeePro版本推出，隨后2009年3月，ZigBee采用IETF的IPv66Lowpan標準作為新一代智能電網(wǎng)（SmartEnergy）的標準，ZigBee也將逐漸被IPv66Lowpan標準所取代。4.4

短距離無線通信技術ZigBee技術ZigBee標準是基于IEEE802.15.4無線標準研制開發(fā)的關于組網(wǎng)、安全和應用軟件等方面的技術標準，是IEEE802.15.4的擴展集，它由ZigBee聯(lián)盟與IEEE802.15.4工作組共同制定。ZigBee工作在2.4GHz頻段，共有27個無線信道，其主要技術的特點如下：功耗低：待機模式下，2節(jié)5號電池可以使用6~24個月；低速率：數(shù)據(jù)傳輸速率的范圍在20~250kbps；成本低：ZigBee數(shù)據(jù)傳輸率低，協(xié)議簡單，成本較低，且ZigBee協(xié)議免收專利費；4.4

短距離無線通信技術ZigBee技術其主要技術的特點如下：容量大：ZigBee網(wǎng)絡中，一個節(jié)點可以最多管理254個子節(jié)點，且該節(jié)點還可以由其上一層網(wǎng)絡節(jié)點進行管理，網(wǎng)絡最多可以支持65000多個節(jié)點；低延遲：ZigBee網(wǎng)絡相應速度快，節(jié)點從睡眠狀態(tài)轉(zhuǎn)入工作狀態(tài)只需要15ms，節(jié)點連接到網(wǎng)絡只需要30ms；短距離：ZigBee的傳輸距離一般在10~100m的范圍；安全性：ZigBee提供了三級安全模式（分別是網(wǎng)絡密鑰、鏈接密鑰和主密鑰，它們在數(shù)據(jù)加密過程中使用），保證網(wǎng)絡的安全性，采用AES-128加密算法，同時可以靈活確定其安全屬性；可靠性：采用碰撞避免的策略，并未需要固定帶寬的通信業(yè)務提供專用時隙，從而避開發(fā)送數(shù)據(jù)的競爭和沖突。4.4

短距離無線通信技術ZigBee技術ZigBee網(wǎng)絡中定義了兩種無線設備，分別是全功能設備（FFD）和精簡功能設備（RFD）。網(wǎng)絡中的節(jié)點可以分成三種類型，即ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點、路由節(jié)點和終端節(jié)點，如下圖所示4.4

短距離無線通信技術ZigBee技術其中：協(xié)調(diào)器節(jié)點：是網(wǎng)絡的主要控制者，負責建立新的網(wǎng)絡、設定網(wǎng)絡參數(shù)、管理網(wǎng)絡節(jié)點等；路由節(jié)點：負責路由發(fā)現(xiàn)、消息轉(zhuǎn)發(fā)等；終端節(jié)點：主要是終端的感知設備，如溫濕度傳感器節(jié)點、光照傳感器等，它可以由路由節(jié)點中轉(zhuǎn)連接到協(xié)調(diào)器節(jié)點，也可以直接與協(xié)調(diào)器節(jié)點連接，從而接入到網(wǎng)絡中。但終端節(jié)點不允許別的節(jié)點通過它介入到網(wǎng)絡。對于FFD來說，該節(jié)點它可以同時具備協(xié)調(diào)器、路由器和終端節(jié)點的功能，而RFD則只具有其中一種類型的功能。4.4

短距離無線通信技術UWB技術UWB(UltraWideband)，即超寬帶技術，技術標準IEEE802.15.3a，該技術早期被用來在近距離進行高速數(shù)據(jù)傳輸，但近年來，國外開始利用其亞納米級超窄脈沖來進行近距離的精確室內(nèi)定位。4.4

短距離無線通信技術UWB技術UWB是一種無載波通信技術。它是一種超高速的短距離無線接入技術。它在較寬的頻譜上傳送極低功率的信號，能在10m左右的范圍內(nèi)實現(xiàn)數(shù)百Mbps~1Gbps的數(shù)據(jù)傳輸率，具有抗干擾性能強、傳輸速率高、帶寬極寬、消耗電能小、保密性好、發(fā)送功率小等諸多優(yōu)勢。UWB早在1960年就開始開發(fā)，但僅限于軍事應用，美國FCC于2002年2月準許該技術進入民用領域。不過，目前，學術界對UWB是否會對其他無線通信系統(tǒng)產(chǎn)生干擾仍在爭論當中。4.4

短距離無線通信技術NFC技術NFC（NearFieldCommunication），即近場通信技術。該技術由飛利浦公司和索尼公司共同研制，并與諾基亞等公司共同發(fā)起了NFC論壇，它是一種非接觸式識別和互聯(lián)技術，也可以把其視作RFID閱讀器與智能卡的功能整合在一起的產(chǎn)物，目前，NFC廣泛應用于智能手機等移動設備和消費類電子產(chǎn)品中，利用開啟了NFC功能的智能手機可以進行公交一卡通、信用卡、門禁等移動支付的應用場景，極大提高了人們支付的便捷性。4.4

短距離無線通信技術NFC技術NFC的工作頻率在13.56MHz，通信距離在10cm以內(nèi)，傳輸速率可以支持106kbps、212kbps和424kbps等三種傳輸速率。NFC可以有主動和被動兩種數(shù)據(jù)交換模式，在被動模式下，啟動NFC主設備，在整個通信過程中提供RF-Field(射頻場)，并可以選擇上述三種速率中的一種，并將數(shù)據(jù)發(fā)送至另一臺設備。另一臺設備為從設備，其不產(chǎn)生RF-Field，而使用Loadmodulation（負載調(diào)制）技術，以相同的速率將數(shù)據(jù)回傳給發(fā)起設備。在主動模式下，發(fā)起設備和目標設備則都需要產(chǎn)生自己的RF-Field，便于進行相互通信。4.4

短距離無線通信技術Z-WAVE技術Z-WAVE是由丹麥的Zensys公司所主導推出的一項短距離無線通信技術，Z-WAVE是一項基于射頻的、低成本、低功耗、高可靠性的短距離無線通信技術，它工作的頻帶有兩種類型，分別是美國所使用的908.42MHz和歐洲所使用的868.42MHz，采用的調(diào)制方式為FSK（BFSK二進制頻移鍵控/GFSK高斯頻移鍵控），數(shù)據(jù)傳輸速率為9.6kbps，有效的信號覆蓋范圍在室內(nèi)可以達到30m，室外可以超過100m。4.4

短距離無線通信技術Z-WAVE技術目前，Z-WAVE技術廣泛應用于智能家居、商業(yè)照明控制等商業(yè)應用中，如家電控制、接入控制、安防控制等，如下圖所示，它可以將任何獨立的設備轉(zhuǎn)換為智能網(wǎng)絡設備，從而實現(xiàn)遠程的監(jiān)測與控制。4.4

短距離無線通信技術IrDA技術IrDA是國際紅外數(shù)據(jù)協(xié)會的英文縮寫，IrDA是一種利用紅外線進行點對點通信的技術，它在技術上具有移動通信設備所必需的體積小、功率低、耗電量低的特點。IrDA由于采用點到點的連接，數(shù)據(jù)傳輸所受到的干擾較少，速率可達16Mb/s。但是，IrDA是一種視距傳輸技術，也就是說具有IrDA端口的設備之間如果試圖傳輸數(shù)據(jù)，中間就不能有阻擋物。其次IrDA設備中的核心部件紅外線LED不是一種十分耐久的部件。4.4

短距離無線通信技術HomeRF技術HomeRF是專門為家庭用戶設計的家庭區(qū)域范圍內(nèi)使用的無線數(shù)字通信開放新標準。HomeRF利用跳頻擴頻方式，通過家庭中的一臺主機在移動數(shù)據(jù)和語音設備之間實現(xiàn)通信，既可以通過時分復用支持語音通信，又可以通過載波監(jiān)聽多重訪問/沖突避免協(xié)議提供數(shù)據(jù)通信服務。HomeRF是IEEE802.11與數(shù)字增強無繩電話（digitalenhancedcordlesstelephone，DECT）的結(jié)合，旨在降低語音數(shù)據(jù)成本。HomeRF工作在2.4GHz頻段，能同步支持4條高質(zhì)量語音信道，目前HomeRF的傳輸速率可以達到11Mb/s。4.4

短距離無線通信技術技術指標藍牙ZigbeeUWBNFCZ-WAVEIrDAHomeRF工作頻段2.4GHz2.4GHz3.1-10.6GHz13.56MHz908.42MHz(美國)868.42MHz(歐洲)紅外線2.4GHz傳輸速率1Mbps120-250Kbps480Mbps106kbit/s212kbit/s424kbit/s9.6kbps16Mbps6-10Mbps有效通信距離10m10-100m10m10cm以內(nèi)30m（室內(nèi)）100m（室外）1m50m應用前景中好好好好一般中幾種WPAN短距離無線通信技術特點比較4.4

短距離無線通信技術WI-FI技術Wi-Fi技術，即無線局域網(wǎng)技術，它是利用電磁波在空氣中發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，無需線纜介質(zhì)，通信范圍不受環(huán)境條件限制，傳輸范圍大大拓寬，最大可達幾十公里。無線局域網(wǎng)抗干擾性強，保密性好。相對有線網(wǎng)絡，無線局域網(wǎng)組建較為容易，配置維護也很簡單。由于WLAN的這些優(yōu)點，WLAN在很多不適合網(wǎng)絡布線的場合得到了廣泛應用。4.4

短距離無線通信技術WI-FI技術1、無線局域網(wǎng)的基本組成無線局域網(wǎng)由無線網(wǎng)卡和無線網(wǎng)關組建而成。無線網(wǎng)卡類似于以太網(wǎng)卡，作為無線網(wǎng)絡的接口，實現(xiàn)計算機與無線網(wǎng)絡的連接。無線網(wǎng)卡有三類：PCI無線網(wǎng)卡：適用于普通的臺式計算機；USB無線網(wǎng)卡：適用于筆記本和臺式機，支持熱拔插；PCMCIA無線網(wǎng)卡：僅適用于筆記本，支持熱拔插。無線網(wǎng)關也稱無線無線接入點或無線AP（AcessPoint）、無線網(wǎng)橋，其功能類似于有線網(wǎng)絡中的集線器。無線AP有一個以太網(wǎng)接口，用于實現(xiàn)無線網(wǎng)絡和有線網(wǎng)絡的連接。4.4

短距離無線通信技術WI-FI技術2、無線局域網(wǎng)的拓撲結(jié)構無論采用哪種傳輸技術，無線局域網(wǎng)的拓撲結(jié)構分為兩大基本類型：（1）有中心拓撲；（2）無中心拓撲；4.4

短距離無線通信技術WI-FI技術（1）有中心拓撲有中心拓撲結(jié)構是WLAN的基本結(jié)構，它至少包含一個AP作為中心站構成星形結(jié)構。在AP覆蓋范圍內(nèi)的所有站點之間的通信和接入因特網(wǎng)均由AP來控制，AP類似于有線以太網(wǎng)中的Hub，因此有中心拓撲結(jié)構也稱為基礎網(wǎng)絡結(jié)構?；A結(jié)構模式（Infrastructure）由AP、無線工作站以及分布式系統(tǒng)DSS（distributionsystemservices）構成，覆蓋的區(qū)域成為基本服務集BSS（basicserviceset）。無線工作站與AP關聯(lián)采用AP的基本服務區(qū)標識符BSSID（basicservicesetidentifier）。在802.11中，BSSID是AP的MAC地址。從應用角度出發(fā)，絕大多數(shù)無線局域網(wǎng)都屬于有中心網(wǎng)絡拓撲結(jié)構。有中心網(wǎng)絡拓撲的抗摧毀性差，AP的故障容易導致整個網(wǎng)絡癱瘓。4.4

短距離無線通信技術WI-FI技術（1）有中心拓撲一個AP般有兩個接口：即支持IEEE802.11協(xié)議的WLAN接口。在基本結(jié)構中，不同站點之間不能直接進行通信，只能通過訪問AP建立連接。AP覆蓋范圍是有限的，室內(nèi)一般為100m左右，室外一般為300m左右，對于覆蓋較大區(qū)域范圍時，需要安裝多個AP，這時需要勘察確定AP的安裝位置，避免鄰近AP的干擾，考慮頻率重用。多個AP網(wǎng)絡結(jié)構與目前蜂窩移動通信網(wǎng)相似，用戶可以在網(wǎng)絡內(nèi)進行越區(qū)切換和漫游，當用戶從一個AP覆蓋區(qū)域漫游到另一個AP覆蓋區(qū)域時，用戶站設備搜索并試圖連接到信號最好的信道，同時還可隨時進行切換，由AP對切換過程進行協(xié)調(diào)和管理。4.4

短距離無線通信技術WI-FI技術（2）無中心拓撲無中心拓撲結(jié)構也被稱為自組織網(wǎng)絡或?qū)Φ染W(wǎng)絡，即人們常稱的Ad-Hoc網(wǎng)絡?；谶@種結(jié)構建立的自組織型WLAN至少有兩個站，各個用戶站（STA）對等互連成網(wǎng)形結(jié)構。點對點Ad-Hoc對等結(jié)構就相當于有線網(wǎng)絡中的多臺計算機（一般最多是3臺）直接通過網(wǎng)卡互聯(lián)，中間沒有集中接入設備（沒有無線接入點AP），信號是直接在兩個通信端點對點傳輸?shù)?。在Adhoc網(wǎng)絡的BSS中，任一站點可與其他站點直接進行相互通信。一個BSS可配置一個AP，多個AP即多個BSS就組成了一個更大的網(wǎng)絡，稱為擴展服務集（ESS）。無中心拓撲結(jié)構WLAN的主要特點是：無須布線，建網(wǎng)容易，穩(wěn)定性好，但這個結(jié)構容量有限，只適用于個人用戶站之間互聯(lián)通信，不能用來開展公眾無線接入業(yè)務。4.4

短距離無線通信技術WI-FI技術3、無線局域網(wǎng)標準IEEE802.11系列標準是IEEE制訂的無線局域網(wǎng)標準，主要對網(wǎng)絡的物理層和媒質(zhì)訪問控制層進行規(guī)定，其中重點是對媒質(zhì)訪問控制層的規(guī)定。目前該系列的標準有：IEEE802.11、IEEE802.11b、IEEE802.11a、IEEE802.11g、IEEE802.11d、IEEE802.11e、IEEE802.11f、IEEE802.11h、IEEE802.11i、IEEE802.11j等，其中每個標準都有其自身的優(yōu)勢和缺點。下面就IEEE已經(jīng)制訂且涉及物理層的4種IEEE802.11系列標準：IEEE802.11、IEEE802.11a、IEEE802.11b和IEEE802.11g進行簡單介紹。4.4

短距離無線通信技術WI-FI技術3、無線局域網(wǎng)標準（1）IEEE802.11IEEE802.11是最早提出的無線局域網(wǎng)網(wǎng)絡規(guī)范，是IEEE于1997年6月推出的，它工作于2.4GHz的ISM頻段，物理層采用紅外、跳頻擴頻(FrequencyHoppingSpreadSpectrum，F(xiàn)HSS)或直接序列擴頻(DirectSequenceSpreadSpectrum，DSSS)技術，其數(shù)據(jù)傳輸速率最高可達2Mbps，它主要應用于解決辦公室局域網(wǎng)和校園網(wǎng)中用戶終端等的無線接入問題。使用FHSS技術時，2.4GHz頻道被劃分成75個1MHz的子頻道，當接收方和發(fā)送方協(xié)商一個調(diào)頻的模式，數(shù)據(jù)則按照這個序列在各個子頻道上進行傳送，每次在IEEE802.11網(wǎng)絡上進行的會話都可能采用了一種不同的跳頻模式，采用這種跳頻方式避免了兩個發(fā)送端同時采用同一個子頻段;而DSSS技術將2.4GHz的頻段劃分成14個22MHz的子頻段，數(shù)據(jù)就從14個頻段中選擇一個進行傳送而不需要在子頻段之間跳躍。4.4

短距離無線通信技術WI-FI技術3、無線局域網(wǎng)標準（1）IEEE802.11由于臨近的頻段互相重疊，在這14個子頻段中只有3個頻段是互不覆蓋的。IEEE802.11由于數(shù)據(jù)傳輸速率上的限制，在2000年也緊跟著推出了改進后的IEEE802.11b。但隨著網(wǎng)絡的發(fā)展，特別是IP語音、視頻數(shù)據(jù)流等高帶寬網(wǎng)絡應用的需要，IEEE802.11b只有11Mbps的數(shù)據(jù)傳輸率不能滿足實際需要。于是，傳輸速率高達54Mbps的IEEE802.11a和IEEE802.11g也都陸續(xù)推出。4.4

短距離無線通信技術WI-FI技術3、無線局域網(wǎng)標準（2）IEEE802.11bIEEE802.11b又稱為Wi-Fi，是目前最普及、應用最廣泛的無線標準。IEEE802.11b工作于2.4GHz頻帶，物理層支持5.5Mbps和11Mbps兩個速率。IEEE802.11b的傳輸速率會因環(huán)境干擾或傳輸距離而變化，其速率在1Mbps、2Mbps、5.5Mbps、11Mbps之間切換，而且在1Mbps、2Mbps速率時與IEEE802.11兼容。IEEE802.11b采用了直接序列擴頻DSSS技術，并提供數(shù)據(jù)加密，使用的是高達128位的有線等效保密協(xié)議(WiredEquivalentPrivacy，WEP)。但是IEEE802.11b和后面推出的工作在5GHz頻率上的IEEE802.11a標準不兼容。4.4

短距離無線通信技術WI-FI技術3、無線局域網(wǎng)標準（2）IEEE802.11b從工作方式上看，IEEE802.11b的工作模式分為兩種：點對點模式和基本模式。點對點模式是指無線網(wǎng)卡和無線網(wǎng)卡之間的通信方式，即一臺配置了無線網(wǎng)卡的計算機可以與另一臺配置了無線網(wǎng)卡的計算機進行通信，對于小規(guī)模無線網(wǎng)絡來說，這是一種非常方便的互聯(lián)方案;而基本模式則是指無線網(wǎng)絡的擴充或無線和有線網(wǎng)絡并存時的通信方式，這也是IEEE802.11b最常用的連接方式。在該工作模式下，配置了無線網(wǎng)卡的計算機需要通過“無線接入點”才能與另一臺計算機連接，由接入點來負責頻段管理等工作。在帶寬允許的情況下，一個接入點最多可支持1024個無線節(jié)點的接入。當無線節(jié)點增加時，網(wǎng)絡存取速度會隨之變慢，此時通過添加接入點的數(shù)量可以有效地控制和管理頻段。4.4

短距離無線通信技術WI-FI技術3、無線局域網(wǎng)標準（2）IEEE802.11bIEEE802.11b技術的成熟，使得基于該標準網(wǎng)絡產(chǎn)品的成本得到很大的降低，無論家庭還是公司企業(yè)用戶，無須太多的資金投入即可組建一套完整的無線局域網(wǎng)。當然，IEEE802.11b并不是完美的，也有其不足之處，IEEE802.11b最高11Mbps的傳輸速率并不能很好地滿足用戶高數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枰蚨谝蟾邔拵r，其應用也受到限制，但是可以作為有線網(wǎng)絡的一種很好的補充。4.4

短距離無線通信技術WI-FI技術3、無線局域網(wǎng)標準（3）IEEE802.11aIEEE802.11a工作于5GHz頻帶，但在美國是工作于U-NII頻段，即5.15～5.25GHz、5.25～5.35GHz、5.725～5.825GHz三個頻段范圍，其物理層速率可達54Mbps，傳輸層可達25Mbps。IEEE802.11a的物理層還可以工作在紅外線頻段，波長為850～950納米，信號傳輸距離約10m。IEEE802.11a采用正交頻分復用(OFDM)的獨特擴頻技術，并提供25Mbps的無線ATM接口和10Mbps的以太網(wǎng)無線幀結(jié)構接口，支持語音、數(shù)據(jù)、圖像業(yè)務。IEEE802.11a使用正交頻分復用技術來增大傳輸范圍，采用數(shù)據(jù)加密可達152位的WEP。4.4

短距離無線通信技術WI-FI技術3、無線局域網(wǎng)標準（3）IEEE802.11a

就技術角度而言，IEEE802.11a與IEEE802.11b之間的差別主要體現(xiàn)在工作頻段上。由于IEEE802.11a工作在與IEEE802.11b不同的5GHz頻段，避開了大量無線電子產(chǎn)品廣泛采用的2.4GHz頻段，因此其產(chǎn)品在無線通信過程中所受到的干擾大為降低，抗干擾性較IEEE802.11b更為出色。高達54Mbps數(shù)據(jù)傳輸帶寬，是IEEE802.11a的真正意義所在。當IEEE802.11b以其11Mbps的數(shù)據(jù)傳輸率滿足了一般上網(wǎng)瀏覽網(wǎng)頁、數(shù)據(jù)交換、共享外設等需求的時候，IEEE802.11a已經(jīng)為今后無線寬帶網(wǎng)的高數(shù)據(jù)傳輸要求做好了準備，從長遠的發(fā)展角度來看，其競爭力是不言而喻的。此外，IEEE802.11a的無線網(wǎng)絡產(chǎn)品較IEEE802.11b有著更低的功耗，這對筆記本電腦及PDA等移動設備來說也有著重大實用價值。4.4

短距離無線通信技術WI-FI技術3、無線局域網(wǎng)標準（3）IEEE802.11a然而在IEEE802.1la的普及過程中也面臨著很多問題。首先，來自廠商方面的壓力。IEEE802.11b已走向成熟，許多擁有IEEE802.11b產(chǎn)品的廠商會對IEEE802.11a都持保守態(tài)度。從目前的情況來看，由于這兩種技術標準互不兼容，不少廠商為了均衡市場需求，直接將其產(chǎn)品做成了“a+b”的形式，這種做法雖然解決了“兼容”問題，但也使得成本增加。其次，由于相關法律法規(guī)的限制，使得5GHz頻段無法在全球各個國家中獲得批準和認可。5GHz頻段雖然令基于IEEE802.11a的設備具有了低干擾的使用環(huán)境，但也有其不利的一面，由于太空中數(shù)以千計的人造衛(wèi)星與地面站通信也恰恰使用5GHz頻段，這樣它們之間產(chǎn)生的干擾是不可避免的。此外，歐盟也已將5GHz頻率用于其自己制訂的HiperLAN無線通信標準。4.4

短距離無線通信技術WI-FI技術3、無線局域網(wǎng)標準（4）IEEE802.11gIEEE802.11g是對IEEE802.11b的一種高速物理層擴展，它也工作于2.4GHz頻帶，物理層采用直接序列擴頻(DSSS)技術，而且它采用了OFDM技術，使無線網(wǎng)絡傳輸速率最高可達54Mbps，并且與IEEE802.11b完全兼容。IEEE802.11g和IEEE802.11a的設計方式幾乎是一樣的。IEEE802.11g的出現(xiàn)為無線傳感器網(wǎng)絡市場多了一種通信技術選擇，但也帶來了爭議，爭議的焦點是圍繞在IEEE802.11g與IEEE802.11a之間的。與IEEE802.11a相同的是，IEEE802.11g也采用了OFDM技術，這是其數(shù)據(jù)傳輸能達到54Mbps的原因。然而不同的是，IEEE802.11g的工作頻段并不是IEEE802.11a的工作頻段5GHz，而是和IEEE802.11b一致的2.4GHz頻段，這樣一來，使得基于IEEE802.11b技術產(chǎn)品的用戶所擔心的兼容性問題得到了很好的解決。4.4

短距離無線通信技術PART044.5遠距離低功耗無線廣域網(wǎng)技術

根據(jù)傳輸速率的不同，物聯(lián)網(wǎng)的遠距離通信業(yè)務分為高、中、低速三類：（1）高速率業(yè)務：主要使用4G及將來的5G技術，例如車載物聯(lián)網(wǎng)設備和監(jiān)控攝像頭，對應的業(yè)務特點要求實時的數(shù)據(jù)傳輸；（2）中等速率業(yè)務：主要使用GPRS技術，例如居民小區(qū)或超市的儲物柜，使用頻率高但并非實時使用，對網(wǎng)絡傳輸速度的要求遠不及高速率業(yè)務；（3）低速率業(yè)務：業(yè)界將低速率業(yè)務市場歸納為LPWAN（LowPowerWideAreaNetwork）市場，即低功耗廣域網(wǎng)。4.5

遠距離低功耗無線廣域網(wǎng)技術

對于需要遠距離大范圍覆蓋的場景來說，我們熟悉的藍牙、Wi-Fi、ZigBee這些技術都不適合，我們需要低功耗廣域網(wǎng)LPWAN技術。 LPWAN技術的特點是：覆蓋遠，支持大范圍組網(wǎng)；連接終端節(jié)點多，可以同時連接成千上萬的節(jié)點；功耗低，只有功耗低，才能保證續(xù)航能力，減少更換電池的麻煩；傳輸速率低，因為主要是傳輸一些傳感數(shù)據(jù)和控制指令，不需要傳輸音視頻等多媒體數(shù)據(jù)，所以也就不需要太高的速率，而且低功率也限制了傳輸速率。當然還有重要的一點就是成本要低。4.5

遠距離低功耗無線廣域網(wǎng)技術

無線通信技術是物聯(lián)網(wǎng)的傳輸基礎，隨著智慧城市大應用成為熱門發(fā)展，各種技術推陳出新，目前有多種LPWAN技術和標準，在這里我們將重點關注SigFox、LoRa、NB-IOT和LTEeMTC這幾項LPWAN技術。4.5

遠距離低功耗無線廣域網(wǎng)技術Sigfox技術2009年，Sigfox興起于法國的Sigfox公司，是以超窄帶(UNB，UltraNarrowBand)技術建設物聯(lián)網(wǎng)設備專用的無線網(wǎng)絡。被業(yè)界視為是LPWAN領域最早的開拓者。UNB技術每秒只能處理10到1000比特的數(shù)據(jù)，傳輸功耗水平非常低，卻能支持成千上萬的連接。Sigfox公司目標成為全球物聯(lián)網(wǎng)運營商，通過自建及與運營商等多方合作式部署網(wǎng)絡，向客戶提供物體聯(lián)網(wǎng)、API接口、云計算Web等服務，客戶可通過每臺設備每年約1美元打包價購買服務。Sigfox相對封閉，生態(tài)系統(tǒng)構建相對緩慢。Sigfox向芯片制造商免費提供技術，鼓勵芯片廠家在其產(chǎn)品中集成Sigfox技術。TI、Intel、Atmel、SiliconLab等公司均生產(chǎn)支持Sigfox技術的各種芯片。Sigfox網(wǎng)絡已覆蓋法國、西班牙全全境，美國、荷蘭和英國部分城市。芯片商、方案商、網(wǎng)絡運營商組成的SigFox生態(tài)系統(tǒng)如下圖所示。4.5

遠距離低功耗無線廣域網(wǎng)技術4.5

遠距離低功耗無線廣域網(wǎng)技術LoRA技術LoRa（LongRangeWideAreaNetwork，遠距離廣域網(wǎng)）是美國Semtech公司推廣的一種超遠距離無線傳輸方案。2013年8月，Semtech公司發(fā)布了一種基于1GHz以下的超長距低功耗數(shù)據(jù)傳輸技術的芯片。LoRa是長距離（LongRange）的縮寫。LoRa聯(lián)盟成立于2015年3月，目前擁有超過290多家成員。包括運營商、系統(tǒng)、軟件、芯片、模組、云服務、應用廠商，構成完整的生態(tài)系統(tǒng)。LoRa產(chǎn)業(yè)鏈成熟比NB-IoT早，針對物聯(lián)網(wǎng)快速發(fā)展的業(yè)務需求和技術空窗期，部分運營商選擇部署LoRa，作為蜂窩物聯(lián)網(wǎng)的補充，如Orange,SKT,KPN,Swisscom等。4.5

遠距離低功耗無線廣域網(wǎng)技術LoRA技術LoRa使用線性調(diào)頻擴頻調(diào)制技術，工作在非授權頻段，數(shù)據(jù)傳輸速率在3kbps~37.5kbps。LoRa還采用了自適應速率(ADR:AdaptiveDataRate)方案來控制速率和終端設備的發(fā)射功率，從而最大化終端設備的續(xù)航能力。LoRa與Sigfox最大的不同之處在于LoRa是技術提供商，不是網(wǎng)絡運營商。誰都可以購買和運行LoRa設備，LoRa聯(lián)盟也鼓勵電信運營商部署LoRa網(wǎng)絡。目前國內(nèi)已經(jīng)有一些LoRa的方案商。4.5

遠距離低功耗無線廣域網(wǎng)技術LoRA技術2018年4月10日，阿里云與中國聯(lián)通浙江省分公司聯(lián)合在中國杭州與寧波部署的基于LoRa器件與無線射頻技術（LoRa技術）的物聯(lián)網(wǎng)平臺現(xiàn)已開始試商用。LoRa優(yōu)點在于：1.擴大了無線通訊鏈路的覆蓋范圍(實現(xiàn)了遠距離無線傳輸)，2.具有更強的抗干擾能力。對于同信道GMSK干擾信號的抑制能力達到20dB。憑借強大的抗干擾性，LoRa調(diào)制系統(tǒng)不僅可以用于頻譜使用率較高的頻段，也可以用于混合通訊網(wǎng)絡，以便在網(wǎng)絡中原有的調(diào)制方案失敗時擴大覆蓋范圍。典型的LoRa網(wǎng)絡的網(wǎng)絡架構如下圖所示。4.5

遠距離低功耗無線廣域網(wǎng)技術4.5

遠距離低功耗無線廣域網(wǎng)技術NB-IOT技術目前在中國最受關注的LPWAN技術莫過于NB-IoT。NB-IoT作為我國戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)之一，在中國政府和市場需求的強烈拉動下，其規(guī)模化商用正在不斷加速。安富利亞太區(qū)總裁傅錦祥表示：“目前中國電信、中國移動和中國聯(lián)通三大運營商已經(jīng)在全國范圍內(nèi)商用NB-IoT。作為物聯(lián)網(wǎng)商用的絕對主角，NB-IoT技術將會深度滲透到公共事業(yè)、物流、汽車,農(nóng)業(yè)、醫(yī)療、工業(yè)物聯(lián)和可穿戴設備等行業(yè)應用中去。4.5

遠距離低功耗無線廣域網(wǎng)技術NB-IOT技術（1）NB-IOT的技術特征NB-IoT(NarrowBandInternetofThings,NB-IoT)是2015年9月在3GPP標準組織中立項提出的一種新的窄帶蜂窩通信LPWAN技術。NB-IoT構建于蜂窩網(wǎng)絡，只消耗大約180KHz的帶寬，可直接部署于GSM網(wǎng)絡、UMTS網(wǎng)絡或LTE網(wǎng)絡，以降低部署成本、實現(xiàn)平滑升級。NB-IoT的主要技術特征如下圖所示體現(xiàn)在以下四個方面：4.5

遠距離低功耗無線廣域網(wǎng)技術NB-IOT技術（1）NB-IOT的技術特征大連接：在同一基站的情況下，NB-IoT可以比現(xiàn)有無線技術提供50-100倍的接入數(shù)。每個小區(qū)能夠支持5萬用戶的連接數(shù)，支持低延時敏感度、超低的設備成本、低設備功耗和優(yōu)化的網(wǎng)絡架構。舉例來說，受限于帶寬，運營商給家庭中每個路由器僅開放8-16個接入口，而一個家庭中往往有多部手機、筆記本、平板電腦，未來要想實現(xiàn)全屋智能、上百種傳感設備需要聯(lián)網(wǎng)就成了一個棘手的難題。而NB-IoT足以輕松滿足未來智慧家庭中大量設備聯(lián)網(wǎng)需求。4.5

遠距離低功耗無線廣域網(wǎng)技術NB-IOT技術（1）NB-IOT的技術特征廣/深覆蓋：NB-IoT室內(nèi)覆蓋能力強，MCL比LTE提升20dB增益，相當于提升了100倍覆蓋區(qū)域能力。不僅可以滿足農(nóng)村這樣的廣覆蓋需求，對于廠區(qū)、地下車庫、井蓋這類對深度覆蓋有要求的應用同樣適用。以井蓋監(jiān)測為例，過去GPRS的方式需要伸出一根天線，車輛來往極易損壞，而NB-IoT只要部署得當，就可以很好的解決這一難題。4.5

遠距離低功耗無線廣域網(wǎng)技術NB-IOT技術（1）NB-IOT的技術特征低功耗：低功耗特性是物聯(lián)網(wǎng)應用一項重要指標，特別對于一些不能經(jīng)常更換電池的設備和場合，如安置于高山荒野偏遠地區(qū)中的各類傳感監(jiān)測設備，它們不可能像智能手機一天一充電，長達幾年的電池使用壽命是最本質(zhì)的需求。NB-IoT聚焦小數(shù)據(jù)量、小速率應用，因此NB-IoT設備功耗可以做到非常小，設備續(xù)航時間可以從過去的幾個月大幅提升到幾年。NB-IoT借助PSM和eDRX可實現(xiàn)更長待機。其中PSM(PowerSavingMode，節(jié)電模式)技術是Rel-12中新增的功能，在此模式下，終端仍舊注冊在網(wǎng)但信令不可達，從而使終端更長時間駐留在深睡眠以達到省電的目的。4.5

遠距離低功耗無線廣域網(wǎng)技術NB-IOT技術（1）NB-IOT的技術特征低成本：與LoRa相比，NB-IoT無需重新建網(wǎng)，射頻和天線基本上都是復用的。以中國移動為例，900MHZ里面有一個比較寬的頻帶，只需要清出來一部分2G的頻段，就可以直接進行LTE和NB-IoT的同時部署。低速率、低功耗、低帶寬同樣給NB-IoT芯片以及模組帶來低成本優(yōu)勢。模塊價格也將不超過5美元。4.5

遠距離低功耗無線廣域網(wǎng)技術NB-IOT技術（2）NB-IOT的網(wǎng)絡架構NB-IOT的網(wǎng)絡架構如下圖所示4.5

遠距離低功耗無線廣域網(wǎng)技術NB-IOT技術（2）NB-IOT的網(wǎng)絡架構NB-IOT終端通過空口連接到eNodeB基站。eNodeB基站主要承擔了空口的接入處理以及小區(qū)管理等功能，并通過S1-lite接口與IOT核心網(wǎng)進行連接，將接入層終端采集的數(shù)據(jù)通過COAP或UDP協(xié)議傳送給高層網(wǎng)元處理。IOT核心網(wǎng)主要承擔與終端非接入層交互的功能，并將IOT業(yè)務相關數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到IOT聯(lián)接管理平臺。IOT聯(lián)接管理平臺將匯聚各個接入網(wǎng)得到IOT數(shù)據(jù)，并根據(jù)不同的類型通過HTTP等協(xié)議轉(zhuǎn)發(fā)到業(yè)務應用器進行處理。應用服務器是IOT數(shù)據(jù)的最終匯聚點，并根據(jù)用戶的需求來進行數(shù)據(jù)處理等操作。4.5

遠距離低功耗無線廣域網(wǎng)技術LTEeMTC技術（1）概述eMTC技術是LTE-M（LTE-Machine-to-Machine）在3GPPR13中的定義的一個術語，它是基于LTE演進的物聯(lián)網(wǎng)技術。在之前的3GPPR12中，其名稱為Low-CostMTC，在R13中被正式稱為LTEenhancedMTC(即LTEeMTC)。eMTC技術是萬物互聯(lián)技術的一個重要分支，為了更好地適合物-物之間通信，降低通信的成本，它對LTE協(xié)議進行了相應的剪裁和優(yōu)化。eMTC是一種基于蜂窩網(wǎng)絡進行部署的物聯(lián)網(wǎng)技術，用戶設備可以通過支持1.4MHz的射頻和基帶帶寬，可以直接接入現(xiàn)有的LTE網(wǎng)絡。4.5

遠距離低功耗無線廣域網(wǎng)技術LTEeMTC技術（1）概述eMTC與NB-IOT技術一樣，都屬于3GPP標準中定義的LPWA技術，兩者的標準化進程、產(chǎn)業(yè)發(fā)展、以及現(xiàn)有的網(wǎng)絡應用也是在一起向前推進，但它們也存在一定的差異，如下圖所示，NB-IOT更傾向于對成本和覆蓋有更高要求的物聯(lián)網(wǎng)應用，而eMTC則更側(cè)重于對語音、移動性、速率以及時延有較高要求的物聯(lián)網(wǎng)應用。4.5

遠距離低功耗無線廣域網(wǎng)技術4.5

遠距離低功耗無線廣域網(wǎng)技術LTEeMTC技術（2）eMTC作為LPWAN的優(yōu)勢eMTC技術具備了LPWAN的四大基本特征，即廣覆蓋、大連接、低功耗、低成本。1）廣覆蓋：eMTC技術比LTE技術增強15dB，比GPRS增強11dB，信號可以覆蓋到地下2~3層，彌補了4G室外基站無法實現(xiàn)全覆蓋的問題。2）大連接：eMTC技術支持每個小區(qū)超過1萬個終端，能滿足海量用戶接入的需求。3）低功耗：終端待機時間長，eMTC終端的待機時間最多可達10年。4）低成本：eMTC通信模塊在產(chǎn)業(yè)鏈的不斷推動下，其生產(chǎn)成本在不斷降低。4.5

遠距離低功耗無線廣域網(wǎng)技術幾種LPWAN網(wǎng)絡技術的比較不同的低功耗LPWAN技術在不同的場景應用下都有著各自的優(yōu)勢，如下表所示，列舉了的幾種常見的LPWAN低功耗無線廣域網(wǎng)技術特點比較LPWAN技術頻譜信道帶寬吞吐率容量覆蓋時延網(wǎng)絡定位SigFox非授權100Hz<100bpsNANANA廣域物聯(lián)網(wǎng)技術SigFox與運營商合作建網(wǎng)LoRa非授權125kHz500kHz<50kbpsNAMCL=155dBNA廣域物聯(lián)網(wǎng)技術獨立建網(wǎng)、干擾不可控、可靠性差NB-IOT授權180kHz<250kbps>50kMCL=164dB10s廣域物聯(lián)網(wǎng)技術低成本、電信級、安全可靠LTEeMTC授權1.4MHz<1Mbps>50kMCL=155dB<100ms廣域物聯(lián)網(wǎng)技術相對低成本、電信級、安全可靠4.5

遠距離低功耗無線廣域網(wǎng)技術PART054.6移動通信技術移動通信是指通信雙方至少有一方處于運動中的通信，包括海、陸、空移動通信。移動通信是有線通信的延伸，它由有線和無線兩部分組成。無線部分提供用戶終端的接入，有線部分完成網(wǎng)絡功能，構成公眾陸地移動通信網(wǎng)。4.6移動通信技術移動通信發(fā)展速率基本為10年一代，經(jīng)歷了以下幾個階段：1G：第一代移動通信技術——模擬制式的移動通信系統(tǒng)，只能進行語音通話；2G：第二代移動通信技術——數(shù)字蜂窩通信系統(tǒng)，包括語音在內(nèi)的全數(shù)字化系統(tǒng)；2.5G：在2G基礎上提供增強業(yè)務，如WAP；3G：第三代移動通信技術——支持高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆涓C移動通訊系統(tǒng)。提供的業(yè)務包括語音、傳真、數(shù)據(jù)、多媒體娛樂和全球漫游等；4G：第四代移動通信技術——高速移動通信系統(tǒng)，用戶速率可達20Mbit/s。4G支持多媒體交互業(yè)務，高質(zhì)量影像、3D動畫和寬帶接入。5G：數(shù)據(jù)流量和終端數(shù)量的爆發(fā)性增長，催促新的移動通信系統(tǒng)的形成。移動互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展成為5G發(fā)展的兩大驅(qū)動力。5G將不是單純通信系統(tǒng)，而是以用戶為中心的全方位信息生態(tài)系統(tǒng)。其目標是為用戶提供極佳的信息交互體驗，實現(xiàn)萬物互聯(lián)（IOE,InternetofEverything）的智能化時代。4.6移動通信技術移動通信技術主要頻段傳輸速率關鍵技術技術標準提供的服務1G800/900MHz約2.4kpbs模擬制式語音調(diào)制、蜂窩網(wǎng)絡、FDMAAMPS、NMT模擬語音業(yè)務2G900MHz|1800MHzGSM900：800~900MHz約6.4kbpsGSM900：上行2.7kbps、下行9.6kbpsCDMA/TDMAGSM、CDMA數(shù)字語音業(yè)務2.5G

115kbps（GPRS）384kbps（EDGE）

GPRS、HSCSD、EDGE

3GWCDMA：上行1940~1955MHz下行2130~2145MHz125kbps~2.8Mbps多汁技術、Rake接受基礎、Turbo編碼及RS卷積聯(lián)碼等TD-CDMA(移動)CDMA2000(電信)WCDMA（聯(lián)通）同時傳輸語音和數(shù)據(jù)信息4GTD-LTE：上行555~2575MHz下行2300~2320MHz2Mbps~1GbpsOFDM、SC-FDMA、MIMOLTE、LTE-A、WiMax等快速傳輸數(shù)據(jù)、圖像、音頻、視頻5G3300MHz~3600MHz4800MHz~5000MHz（中國）10Gbps（理論值）毫米波、大規(guī)模MIMO、NOMA、OFDMA、SC-FDMA、FBMC等

快速傳輸高清視頻、物聯(lián)網(wǎng)應用等1G-5G移動通信技術的特性如下表所示4.6移動通信技術GSM移動通信技術GSM是全球移動通信系統(tǒng)（GlobalSystemforMobileCommunication）的簡稱。GSM是第一個商業(yè)運營的第2代（2G）蜂窩移動通信系統(tǒng)。GSM通信系統(tǒng)由移動臺（MS）、移動網(wǎng)子系統(tǒng)（NSS）、基站子系統(tǒng)（BSS）和操作支持子系統(tǒng)（OSS）四部分組成。網(wǎng)絡結(jié)構如下：4.6移動通信技術4.6移動通信技術GSM移動通信技術（1）移動臺（MS）移動臺是公用GSM移動通信網(wǎng)中用戶使用的設備，也是用戶能夠直接接觸的整個GSM系統(tǒng)中的唯一設備。移動臺的類型不僅包括手持臺，還包括車載臺和便攜式臺。隨著GSM標準的數(shù)字式手持臺進一步小型、輕巧和增加功能的發(fā)展趨勢，手持臺的用戶將占整個用戶的極大部分。4.6移動通信技術GSM移動通信技術（2）基站子系統(tǒng)（BSS）基站子系統(tǒng)（BSS）是GSM系統(tǒng)中與無線蜂窩方面關系最直接的基本組成部分。它通過無線接口直接與移動臺相接，負責無線發(fā)送接收和無線資源管理。另一方面，基站子系統(tǒng)與網(wǎng)絡子系統(tǒng)（NSS）中的移動業(yè)務交換中心（MSC）相連，實現(xiàn)移動用戶之間或移動用戶與固定網(wǎng)路用戶之間的通信連接，傳送系統(tǒng)信號和用戶信息等。當然，要對BSS部分進行操作維護管理，還要建立BSS與操作支持子系統(tǒng)（OSS）之間的通信連接。4.6移動通信技術GSM移動通信技術（3）移動網(wǎng)子系統(tǒng)（NSS）移動網(wǎng)子系統(tǒng)（NSS）主要包含有GSM系統(tǒng)的交換功能和用于用戶數(shù)據(jù)與移動性管理、安全性管理所需的數(shù)據(jù)庫功能，它對GSM移動用戶之間通信和GSM移動用戶與其它通信網(wǎng)用戶之間通信起著管理作用。NSS由一系列功能實體構成，整個GSM系統(tǒng)內(nèi)部，即NSS的各功能實體之間和NSS與BSS之間都通過符合CCITT信令系統(tǒng)No.7協(xié)議和GSM規(guī)范的7號信令網(wǎng)路互相通信。4.6移動通信技術GSM移動通信技術（4）操作支持子系統(tǒng)（OSS）操作支持子系統(tǒng)（OSS）需完成許多任務，包括移動用戶管理、移動設備管理以及網(wǎng)路操作和維護。4.6移動通信技術GPRS移動通信技術GPRS是通用分組無線業(yè)務系統(tǒng)(GeneralPacketRadioSystem)的縮寫，是歐洲電信協(xié)會GSM系統(tǒng)中有關分組數(shù)據(jù)所規(guī)定的標準。GPRS是在現(xiàn)有的GSM網(wǎng)絡上開通的一種新的分組數(shù)據(jù)傳輸技術，它和GSM一樣采用TDMA方式傳輸語音，但是采用分組的方式傳輸數(shù)據(jù)。GPRS提供端到端的、廣域的無線IP連接及高達115.2kbps的空中接口傳輸速率。4.6移動通信技術GPRS移動通信技術GPRS采用了分組交換技術，可實現(xiàn)若干移動用戶同時共享一個無線信道或一個移動用戶可使用多個無線信道。當用戶進行數(shù)據(jù)傳輸時則占用信道，無數(shù)據(jù)傳輸時則把信道資源讓出來，這樣不僅極大地提高了無線頻帶資源的利用率，同時也提供了靈活的差錯控制和流量控制，正因如此，GPRS是按傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量來收費的，即按流量收費，而不是按時間來計費的。4.6移動通信技術GPRS移動通信技術GPRS采用信道捆綁和增強數(shù)據(jù)速率改進來實現(xiàn)高速接入，它可以實現(xiàn)在一個載頻或8個信道中實現(xiàn)捆綁，每個信道的傳輸速率為14.4kbps，在這種情況下，8個信道同時進行數(shù)據(jù)傳輸時，GPRS方式最高速率可達115.2kbps。如果GPRS通過數(shù)據(jù)速率改進，將每個信道的速率提高到48kbps，那么其速率高達384kbps，對于這樣的高速率，可以完成更多的業(yè)務，比如網(wǎng)頁瀏覽、收/電子郵件等。4.6移動通信技術GPRS移動通信技術GPRS還具有數(shù)據(jù)傳輸與語音傳輸可同時進行并自如切換等特點。總之，相對于原來GSM以撥號接入的電路數(shù)據(jù)傳送方式，GPRS是分組交換技術，具有實時在線、高速傳輸、流量計費和自如切換等優(yōu)點，它能全面提升移動數(shù)據(jù)通信服務。因而，GPRS技術廣泛地應用于多媒體、交通工具的定位、電子商務、智能數(shù)據(jù)和語音、基于網(wǎng)絡的多用戶游戲等方面。4.6移動通信技術CDMA移動通信技術CDMA是碼分多址CodeDivisionMultipleAccess的簡稱，是在數(shù)字技術的分支--擴頻通信技術上發(fā)展起來的一種無線通信技術。CDMA的核心技術是擴頻技術，即在發(fā)送端用一個帶寬遠大于信號帶寬的高速偽隨機碼進行調(diào)制，擴展原數(shù)據(jù)信號的帶寬，再經(jīng)載波調(diào)制后發(fā)送出去。到了接收端，使用完全相同的偽隨機碼，把寬帶信號換成原信息數(shù)據(jù)的窄帶信號即解擴，以實現(xiàn)信息通信。4.6移動通信技術CDMA移動通信技術CDMA技術的優(yōu)點是語音質(zhì)量佳、保密性強、接通率高，同時系統(tǒng)具有容量大、配置靈活、頻率規(guī)劃簡單、建網(wǎng)成本地等優(yōu)勢。4.6移動通信技術3G移動通信技術3G(ThirdGeneration)意為“第三代移動通信”，是國際電聯(lián)ITU于2000年確定的將無線通信與國際互聯(lián)網(wǎng)等多媒體通信結(jié)合的第三代移動通信技術，正式命名為IMT-2000。它是支持高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆涓C移動通訊技術。3G服務能夠同時傳送聲音及數(shù)據(jù)信息，可提供移動寬帶多媒體業(yè)務，其傳輸速率在高速移動環(huán)境中支持144kbps，步行慢速移動環(huán)境中支持384kbps，靜止狀態(tài)下支持2Mbps。4.6移動通信技術3G移動通信技術第三代移動通信系統(tǒng)的技術基礎是碼分多址(CDMA)。第一代移動通信系統(tǒng)采用頻分多址(FDMA)的模擬調(diào)制方式。采用FDMA的系統(tǒng)具有頻譜利用率低，信令干擾語音業(yè)務的缺點。第二代移動通信系統(tǒng)主要采用時分多址(TDMA)的數(shù)字調(diào)制方式，與第一代相比，雖然提高了系統(tǒng)容量，并采用獨立信道傳送信令，使系統(tǒng)性能大大改善，但是它的系統(tǒng)容量仍然很有限，而且越區(qū)切換性能還不完善。CDMA系統(tǒng)以其頻率規(guī)劃簡單、系統(tǒng)容量大、頻率復用率高、抗多徑衰落能力強、通話質(zhì)量好、軟容量、軟切換等特點顯示出巨大的發(fā)展?jié)摿?，因而第三代移動通信系統(tǒng)把CDMA作為其技術基礎。4.6移動通信技術3G移動通信技術國際上目前具有代表性的3G移動通信標準有3種，分別是：美國CDMA2000，歐洲WCDMA和中