物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)通道技術(shù)及應(yīng)用探討

楊曉鳴++田遠(yuǎn)勤

摘 要：物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層作為傳輸和交換感知信息的通道，連接著感知層和應(yīng)用層，其網(wǎng)絡(luò)接入技術(shù)已成為業(yè)界關(guān)注的焦點(diǎn)，目前已形成了多種物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)通道技術(shù)。研究從物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)通道技術(shù)分類入手，通過(guò)對(duì)比的方法，分析不同短距離通信技術(shù)及長(zhǎng)距離通信技術(shù)的特點(diǎn)，得出不同技術(shù)的適用場(chǎng)景。同時(shí)針對(duì)目前常見(jiàn)的物聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景，分析如何采用不同的技術(shù)開(kāi)展物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；網(wǎng)絡(luò)通道技術(shù)；低功耗廣域網(wǎng)；WiFi；ZigBee

中圖分類號(hào)：TP39；TN929.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2017）10-00-03

0 引 言

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷演進(jìn)發(fā)展，全球信息科技發(fā)展正經(jīng)歷著從互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)到物聯(lián)網(wǎng)的延伸。芯片巨頭、IT廠商、電信運(yùn)營(yíng)商、互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)等也紛紛進(jìn)行物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)布局，搶占行業(yè)發(fā)展先機(jī)，構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)體系。預(yù)計(jì)未來(lái)5～10年物聯(lián)網(wǎng)連接數(shù)和市場(chǎng)規(guī)模將發(fā)生大規(guī)模井噴式發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)將成為下一個(gè)萬(wàn)億級(jí)別的通信業(yè)務(wù)。

1 物聯(lián)網(wǎng)概述

物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things，IoT）是指通過(guò)信息傳感設(shè)備，按照約定的協(xié)議把任何物品與信息網(wǎng)絡(luò)連接起來(lái)進(jìn)行信息交互和通訊，以實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)架構(gòu)從下到上依次為感知層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層。感知層可感知和識(shí)別物體，完成信息的收集和簡(jiǎn)單處理，由各類傳感器、攝像頭、GPS、被感知物體等組成；網(wǎng)絡(luò)層可完成各類設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)接入，傳遞感知層獲取的信息，該層強(qiáng)調(diào)網(wǎng)絡(luò)通道接入方式，如光纖、WiFi、藍(lán)牙、4G等；應(yīng)用層可將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與行業(yè)需求、應(yīng)用服務(wù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)廣泛的智能化應(yīng)用，包括中間件、通用服務(wù)平臺(tái)、數(shù)據(jù)服務(wù)平臺(tái)等[1-3]。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)架構(gòu)如圖1所示。

2 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)通道技術(shù)特點(diǎn)

2.1 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)通道技術(shù)分類

早期的物聯(lián)網(wǎng)多采用有線方式，隨著無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)終端接入更多采用無(wú)線方式。本文針對(duì)無(wú)線通信技術(shù)進(jìn)行研究。

根據(jù)通信距離的遠(yuǎn)近，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)通道技術(shù)可分為短距離通信技術(shù)和長(zhǎng)距離通信技術(shù)[4]。物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)通道技術(shù)分類如圖2所示。

2.2 短距離通信技術(shù)特點(diǎn)

2.2.1 ZigBee

ZigBee是一種短距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的無(wú)線通信協(xié)議。ZigBee工作在3個(gè)免執(zhí)照頻段，分別為2.4 GHz、868 MHz（歐洲）、915 MHz（美國(guó)）。

ZigBee技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)如下所示：

（1）數(shù)據(jù)傳輸速率低，為10～250 Kb/s。

（2）功耗低。在待機(jī)模式下，兩節(jié)5號(hào)電池可用6～24個(gè)月，在休眠模式下使用時(shí)間可達(dá)10 年。

（3）成本低。協(xié)議簡(jiǎn)單且免專利費(fèi)。

（4）網(wǎng)絡(luò)容量大，最多可容納65 000個(gè)設(shè)備。

（5）安全性較高。

（6）傳輸可靠。

（7）工作頻段靈活。

ZigBee技術(shù)具有如下缺點(diǎn)：

（1）延時(shí)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(lán)牙

藍(lán)牙（Bluetooth）是一種無(wú)線數(shù)據(jù)與語(yǔ)音通信的開(kāi)放性全球規(guī)范。藍(lán)牙工作在2.4 GHz的ISM頻段，為免執(zhí)照頻段。

藍(lán)牙技術(shù)有如下優(yōu)點(diǎn)：

（1）全球范圍適用。

（2）傳輸速率快，可支持語(yǔ)音和數(shù)據(jù)傳輸。

（3）具有很好的抗干擾能力。

（4）安全性高。

（5）藍(lán)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(kāi)放的接口標(biāo)準(zhǔn)。

（8）成本較低。

藍(lán)牙技術(shù)缺點(diǎn)如下所示：

（1）傳輸范圍有限，在10 m以內(nèi)。

（2）網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)少，不適合多點(diǎn)布控。

2.2.3 WiFi

WiFi（Wireless-Fidelity）是無(wú)線局域網(wǎng)（WLAN）中的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。通常WiFi技術(shù)使用2.4 GHz和5 GHz周圍頻段。

WiFi技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)如下：

（1）數(shù)據(jù)傳輸速率快，最高可達(dá)11 Mb/s。

（2）應(yīng)用廣易于部署。

缺點(diǎn)包括以下幾方面：

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

（2）功耗略高。

（3）組網(wǎng)能力差。

2.2.4 短距離通信技術(shù)特點(diǎn)對(duì)比

短距離通信技術(shù)的技術(shù)特點(diǎn)見(jiàn)表1所列。

2.3 長(zhǎng)距離通信技術(shù)特點(diǎn)

2.3.1 移動(dòng)蜂窩通信技術(shù)

目前運(yùn)營(yíng)商已經(jīng)構(gòu)建了覆蓋全球的移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)，其優(yōu)勢(shì)在于覆蓋范圍廣，速率高。移動(dòng)蜂窩技術(shù)具有功耗高，成本高，穩(wěn)定性一般等缺點(diǎn)，且大部分物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的特點(diǎn)是尺寸小，電池供電，還經(jīng)常會(huì)被放在網(wǎng)絡(luò)覆蓋不好甚至無(wú)信號(hào)的地方，因此移動(dòng)蜂窩通信技術(shù)不適于大部分物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。

移動(dòng)蜂窩技術(shù)常應(yīng)用于高速率業(yè)務(wù)，如要求實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸?shù)能囕d物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和監(jiān)控?cái)z像頭等。

2.3.2 低功耗廣域網(wǎng)

低功耗廣域網(wǎng)（Low-Power Wide-Area，LPWA）是專為低帶寬、低功耗、遠(yuǎn)距離、大量連接的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用而設(shè)計(jì)，包括非授權(quán)頻段技術(shù)如LoRa、Sigfox等，授權(quán)頻段技術(shù)如NB-IoT、eMTC等[4]。

2.3.2.1 非授權(quán)頻段技術(shù)——LoRaendprint

LoRa（Long Range）是一種基于1 GHz以下的超長(zhǎng)距低功耗數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)。LoRa在免費(fèi)頻段運(yùn)行（433/868/915 MHz）。LoRa數(shù)據(jù)傳輸速率低，速率范圍為0.3～37.5 Kb/s。

LoRa具有如下技術(shù)特點(diǎn)：

（1）長(zhǎng)距離：相比業(yè)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(dá)15 km以上。

（2）低功耗：采用異步通信機(jī)制，當(dāng)其要發(fā)送的數(shù)據(jù)準(zhǔn)備好時(shí)開(kāi)始通信；電池壽命長(zhǎng)達(dá)10年。

（3）低成本：使用非授權(quán)頻段，協(xié)議和調(diào)制機(jī)制簡(jiǎn)單，設(shè)計(jì)制造成本低。

（4）大容量：通過(guò)LoRa網(wǎng)關(guān)有效擴(kuò)展系統(tǒng)容量，單個(gè)網(wǎng)關(guān)連接數(shù)量可達(dá)數(shù)萬(wàn)個(gè)節(jié)點(diǎn)；使用線性調(diào)頻擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)，使網(wǎng)關(guān)能并行接收并處理多個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)。

2.3.2.2 授權(quán)頻段技術(shù)——NB-IoT

由于終端傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量很少，物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的ARPU值較低，因此需要一種技術(shù)方便運(yùn)營(yíng)商在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上升級(jí)以支持物聯(lián)網(wǎng)，因此寬窄物聯(lián)網(wǎng)（Narrow Band-IoT，NB-IoT）應(yīng)運(yùn)而生。

NB-IoT技術(shù)特點(diǎn)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(shù)，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(shè)備功耗小，5號(hào)電池使用壽命可達(dá)5～10年。借助節(jié)電模式（Power Saving Mode，PSM）和延長(zhǎng)的非連續(xù)接受（Enhanced Discontinuous Reception，eDRX）模式，減少終端監(jiān)聽(tīng)網(wǎng)絡(luò)頻度，實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)待機(jī)。

（3）成本較低：采用簡(jiǎn)化的協(xié)議棧，降低基帶處理復(fù)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(shù)，提高信道容量；減少空口信令開(kāi)銷，提高頻譜效率，提供50～100倍于移動(dòng)蜂窩技術(shù)的接入數(shù)。

（5）安全穩(wěn)定：繼承4G網(wǎng)絡(luò)安全能力，提供電信級(jí)的可靠接入。

2.3.3 LPWA通信技術(shù)對(duì)比

表2以LoRa和NB-IoT為例，比較LPWA通信技術(shù)的技術(shù)特點(diǎn)。

NB-IoT在抗干擾性、可靠性等方面略勝一籌，LoRa則在成本、產(chǎn)業(yè)鏈成熟度等方面占優(yōu)勢(shì)。NB-IoT和LoRa類似運(yùn)營(yíng)商的公網(wǎng)與公安、鐵路等行業(yè)專用網(wǎng)絡(luò)的關(guān)系。

3 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)通道技術(shù)典型應(yīng)用場(chǎng)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(wǎng)絡(luò)包含的傳感器數(shù)量較多，對(duì)網(wǎng)絡(luò)容量、安全要求較高，同時(shí)還涉及設(shè)備間的聯(lián)動(dòng)，要求能自動(dòng)組網(wǎng)。ZigBee網(wǎng)絡(luò)容量大、可自組網(wǎng)的特點(diǎn)使其適用于家庭安防場(chǎng)景。

智能家電是智能家居的另一領(lǐng)域，要求通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行遠(yuǎn)程操控?，F(xiàn)階段智能家電尚未普及，少量智能家電通過(guò)WiFi技術(shù)將家電直接聯(lián)網(wǎng)即可實(shí)現(xiàn)。未來(lái)，整套智能家居解決方案中，接入終端數(shù)量眾多，且需要聯(lián)網(wǎng)操作，因此可采用ZigBee加網(wǎng)關(guān)的方式實(shí)現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)接入。

室內(nèi)外視頻監(jiān)控對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶寬的要求極高，需要接入互聯(lián)網(wǎng)便于遠(yuǎn)程查看，因此WiFi或有線方式是較好的選擇。

可穿戴設(shè)備已深入人們的生活，且大部分穿戴類產(chǎn)品需要通過(guò)手機(jī)實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)。由于穿戴類設(shè)備本身電池的大小和容量有限，頻繁充電會(huì)影響用戶體驗(yàn)，因此要求低功耗。ZigBee和藍(lán)牙技術(shù)均符合要求，但目前很少有集成ZigBee的手機(jī)，更多采用藍(lán)牙技術(shù)。

3.2 工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)

智能農(nóng)業(yè)中需要部署大量傳感器如溫濕度、風(fēng)力、光照傳感器等，在工業(yè)控制領(lǐng)域同樣需要部署大量傳感器對(duì)機(jī)械進(jìn)行監(jiān)測(cè)、控制，這類場(chǎng)景不僅要求網(wǎng)絡(luò)容量大，且功耗要求低，ZigBee技術(shù)比較適宜。采用ZigBee加網(wǎng)關(guān)聯(lián)網(wǎng)，可根據(jù)環(huán)境狀況對(duì)農(nóng)業(yè)設(shè)施進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)灌溉、風(fēng)機(jī)降溫、卷簾遮陽(yáng)、LED補(bǔ)光；根據(jù)機(jī)械監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)工業(yè)機(jī)械進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整和配置。

此外采用WiFi或有線方式部署攝像頭可實(shí)現(xiàn)農(nóng)業(yè)大棚及工業(yè)生產(chǎn)車間的視頻監(jiān)控。

3.3 城市管理

未來(lái)城市管理中，采用物聯(lián)網(wǎng)將使管理更智能、精準(zhǔn)。智能停車是應(yīng)用最廣泛的城市物聯(lián)網(wǎng)，目前常用的方式是車輛檢測(cè)器用非授權(quán)頻段（如ZigBee）進(jìn)行無(wú)線傳輸，將車位信息上報(bào)給匯聚網(wǎng)關(guān)，再通過(guò)運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)上報(bào)到管理平臺(tái)。但由于非授權(quán)頻段通信存在信號(hào)干擾，網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性、安全性較差，且匯聚網(wǎng)關(guān)覆蓋范圍有限，通常一個(gè)網(wǎng)關(guān)只能管理10～15個(gè)車位，部署復(fù)雜度較高，因此采用NB-IoT方式。NB-IoT可提供運(yùn)營(yíng)商級(jí)別的網(wǎng)絡(luò)保障，無(wú)需部署匯聚網(wǎng)關(guān)，整體成本（設(shè)備成本、部署成本、維護(hù)成本）下降，且后續(xù)車位擴(kuò)容簡(jiǎn)單，無(wú)需考慮網(wǎng)絡(luò)兼容性問(wèn)題，將成為未來(lái)應(yīng)用的技術(shù)方向。

此外，智能井蓋、智能垃圾桶等也是智慧城管的典型應(yīng)用。井蓋、垃圾桶數(shù)量眾多，放置范圍廣且環(huán)境較差，需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量極小，NB-IoT技術(shù)適用于此類場(chǎng)景，將有效助力智慧城市管理建設(shè)。

3.4 企業(yè)物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)

對(duì)于有特定運(yùn)營(yíng)需求的企業(yè)級(jí)網(wǎng)絡(luò)，如電力、水務(wù)、燃?xì)庑袠I(yè)等，以及相對(duì)封閉的企業(yè)體系，往往不希望采用公用網(wǎng)絡(luò)承載其物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)。LoRa、SigFox等非授權(quán)頻段網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可用于企業(yè)自建IoT網(wǎng)絡(luò)，以保持企業(yè)對(duì)定價(jià)、客戶服務(wù)、內(nèi)部管理等的可控性。典型的應(yīng)用包括智慧水務(wù)、智慧油田、物流跟蹤等。

4 結(jié) 語(yǔ)

隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，萬(wàn)物互聯(lián)的時(shí)代已經(jīng)來(lái)臨。目前已出現(xiàn)了眾多物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)通道技術(shù)，并且在較長(zhǎng)一段時(shí)期內(nèi)，物聯(lián)網(wǎng)仍將處于藍(lán)海階段，新的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)也將不斷涌現(xiàn)，而新的應(yīng)用也將不斷被發(fā)掘。如何針對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)景，選擇合適的通信技術(shù)是開(kāi)展物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用部署的關(guān)鍵。

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