盘点物联网主要通信技术


  物联网技术中,分为短距离和长距离应用。

  一般意义上,只要通信收发双方通过无线电波传输信息,并且传输距离限制在较短范围内,都可以称为短距离无线通信。

  以下简要介绍下几种主要的短距通信技术。

  蓝牙

  蓝牙技术基于IEEE802.15.1协议,基于蓝牙规范V1.1实现。最早始于1994,由瑞典爱立信研发,后续成立了蓝牙特别兴趣小组(SpecialInterestGroupSIG),它采用调频技术(Frequency-hoppingSpreadSpectrum),蓝牙工作在2.4GHzISM频段,通信频段为2.402GHz-2.480GHz,速率可达1Mbps(蓝牙4.2)

  蓝牙采用电路交换和分组交换技术,支持异步数据信道,三路语音信道,以及一部数据与同步语音同时传输的信道。

  BLE是标准定义了短距离、低数据传输速率无线通信所需要的一系列通信协议。基于BLE的无线网络所使用的工作频段为868MHz915MHz2.4GHz,最大数据传输速率为250kbps

  ZigBee

  ZigBee主要适合用于自动控制和远程控制领域,可以嵌入各种设备,是一种便宜的、低功耗的近距离无线组网通讯技术。这一名称(又称紫蜂协议)来源于蜜蜂的八字舞,由于蜜蜂(bee)是靠飞翔和嗡嗡”(zig)地抖动翅膀的舞蹈来与同伴传递花粉所在方位信息,也就是说蜜蜂依靠这样的方式构成了群体中的通信网络。

  它的基本速率是250kb/s,有效覆盖范围10~75m之间,具体依据实际发射功率的大小和各种不同的应用模式而定。使用的频段分别为2.4GHz868MHz(欧洲)915MHz(美国),均为免执照频段。特点是近距离、低复杂度、自组织(自配置、自修复、自管理)、低功耗、低数据速率。

  根据ZigBee联盟目前的设想,ZigBee的目标市场主要有PC外设(鼠标、键盘、游戏操控杆)、消费类电子设备(TVVCRCDVCDDVD等设备上的遥控装置)、家庭内智能控制(照明、煤气计量控制及报警等)、玩具(电子宠物)、医护(监视器和传感器)、工控(监视器、传感器和自动控制设备)等非常广阔的领域。

  RFID

  RFID(RadioFrequencyIdentification),即射频识别,俗称电子标签。它是一种非接触式的自动识别技术,通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据。RFID由标签(Tag)、阅读器(Reader)和天线(Antenna)三个基本要素组成。其基本工作原理为标签进入磁场后,接收解读器发出的射频信号,凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息(PassiveTag,无源标签或被动标签),或者主动发送某一频率的信号(ActiveTag,有源标签或主动标签)。解读器读取信息并解码后,送至中央信息系统进行有关数据处理。

  RFID可被广泛应用于安全防伪、工商业自动化、财产保护、物流业、车辆跟踪、停车场和高速公路的不停车收费系统等。

  RFID目前存在最大的问题是成本相对较高且没有统一的标准。

  IRDA

  IrDA是一种利用红外线进行点对点通信的技术,是第一个实现无线个人局域网(PAN)的技术。目前在小型移动设备,如:PDA、手机上广泛使用。IrDA的主要优点是红外通信成本低廉,并且还具有移动通信所需的体积小、功能低、连接方便、简单易用的特点。此外,红外线发射角度较小,传输上安全性高。

  IrDA的不足在于它是一种视距传输,两个相互通信的设备之间必须对准,中间不能被其它物体阻隔,因而该技术只能用于2台设备之间的连接。

  NFC

  NFC最初仅仅是遥控识别和网络技术的合并,但现在已发展成无线连接技术。它能快速自动地建立无线网络,为蜂窝设备、蓝牙设备、Wi-Fi设备提供一个虚拟连接,使电子设备可以在短距离范围进行通讯。NFC的短距离交互大大简化了整个认证识别过程,使电子设备间互相访问更直接、更安全和更清楚。

  NFC通过在单一设备上组合所有的身份识别应用和服务,帮助解决记忆多个密码的麻烦,同时也保证了数据的安全保护。有了NFC,多个设备如数码相机、PDA、机顶盒、电脑、手机等之间的无线互连,彼此交换数据或服务都将有可能实现。

  此外NFC还可以将其它类型无线通讯(Wi-Fi和蓝牙)“加速,实现更快和更远距离的数据传输。每个电子设备都有自己的专用应用菜单,而NFC可以创建快速安全的连接,并且无需在众多接口的菜单中进行选择。与知名的蓝牙等短距离无线通讯标准不同的是,NFC的作用距离进一步缩短且不像蓝牙那样需要有对应的加密设备。

  UWB

  UWB主要应用在小范围、高分辨率、能够穿透墙壁、地面和身体的雷达和图像系统中。除此之外,这种新技术适用于对速率要求非常高(大于100Mb/s)的局域网(LAN)或个域网(PAN)

  UWB最具特色的应用将是视频消费娱乐方面的无线个人局域网(WPAN)UWB有可能在10m范围内,支持高达110Mb/s的数据传输率,不需要压缩数据,可以快速、简单、经济地完成视频数据处理。例如将视频信号从机顶盒无线传送到数字电视等家庭场合。

  UWB技术的弱点主要是占用的带宽过大,可能会干扰其他无线通信系统。

  Z-Wave

  Z-Wave工作频率美国908.42MHz、欧洲868.42MHz,采用无线网状网络技术,因此任何节点都能直接或间接地和通信范围内的其它临近节点通信。数据速率包括9.6kbps40kbps,信号的有效覆盖范围在室内是30m,室外可超过100m

  Z-Wave是一种新兴的基于射频的、低成本、低功耗、高可靠、适于短距离、窄带宽的应用场合。Z-Wave专注于家庭自动化,在欧美国家比较流行。

  Z-Wave采用了动态路由技术,每一个Z-Wave网络都拥有自己独立的网络地址(HomeID);网络内每个节点的地址(NodeID),由控制节点(Controller)分配。每个网络最多容纳232个节点(Slave),包括控制节点在内。

  长距离通信技术

  目前用于长距离通信的物联网技术主要有两种:LoRaNB-IoT

  LoRa

  LoRa(LongRange)是由Semtech发明的一种长距离、低功耗、低速率应用下使用的无线调制技术,是一种物理层(PHY)协议,能被用在几乎所有的网络技术中,是长距离低功耗协议族的总称,但目前只有LoRaWAN一个成员。LoRa主要在全球免费低频段运行,包括433470868915MHz等。实现远距离、广覆盖、低功耗(电池寿命长)、大接入量的用户数及低成本,进而扩展传感网络。目前LoRa网络已经在世界多地进行试点或部署。例如我国著名的京杭大运河网络,完成284个基站的建设,覆盖1300Km流域。

  2015LoRa联盟发布LoRaWAN技术规范,成为LPWAN(低功耗长距离广域网)的重要技术标准之一,遵循LoRaWAN规范的设备具有良好的互操作性。完全符合LoRaWAN标准的通讯网关可以接入510公里内上万个无线传感器通讯节点,其效率远远高于传统的点对点轮询通讯模式,也能大幅度降低节点通讯功耗。

  NB-IoT

  NB-IoT(NarrowBandInternetofThings,NB-IoT)构建于蜂窝网络,只消耗大约180KHz的带宽,可直接部署于GSM网络、UMTS网络或LTE网络,以降低部署成本、实现平滑升级。NB-IoTIoT领域一个新兴的技术,支持低功耗设备在广域网的蜂窝数据连接,也被叫作低功耗广域网(LPWA)NB-IoT支持待机时间短、对网络连接要求较高设备的高效连接,能提供非常全面的室内蜂窝数据连接覆盖。

  NB-IoT具有很大的商业和技术优势。从商业层面上来讲,截至目前,蜂窝网络覆盖了全球超过50%的地理面积,90%的人口,是一张覆盖最为完整的网络。从技术层面上来讲,NB-IoT4大技术优势:首先是覆盖广,相比传统GSM(globalsystemformobilecommunication),一个基站可以提供10倍的面积覆盖;其次是海量连接,200KHz的带宽可以提供10万个联接;第三是低功耗,使用AA电池便可以工作十年,无需充电;第四是低成本,模组成本小于5美金。假设全球有500万左右物理站点,全部部署NB-IoT,每个站3个扇区、每个扇区部署200kHz、每小时每个传感器发送100个字节,那么全球站点能够联接的传感器数量高达4500亿。

  NB-IoT物理层设计

  NB-IoT在多重存取(MultipleAccess)技术的选择上,使用与LTE系统相同之MultipleAccess技术,亦即在下行使用正交分频多路存取(OrthogonalFrequencyDivisionMultipleAccess,OFDMA),在上行使用单载波分频多重存取(SingleCarrierFrequencyDivisionMultipleAccess,SC-FDMA),且子载波间距(SubcarrierSpacing)以及讯框架构(FrameStructure)LTE系统相同。

  由于带宽最多仅有1PRB,所以不同物理层通道之间大多为分时多任务(TimeDivisionMultiplexed,TDD),也就是在不同时间上轮流出现。另外,考虑到NB-IoTUE的低成本与低复杂度,Release-13NB-IoT仅支持分频双工(FrequencyDivisionDuplex,FDD)且为半双工(HalfDuplex),亦即上行与下行使用不同的载波,且一NB-IoTUE传送和接收需在不同时间点进行。

  NB-IoT支持在频段内(In-Band)、保护频段(GuardBand)以及独立载波(Stand-alone)共三种运行模式。In-Band运行是利用LTE载波(Carrier)内的PRB进行数据传输,GuardBand运行是利用LTE载波内的GuardBand来进行数据传输,Stand-alone运行则是使用非LTE频段的载波来进行数据传输。为了提高NB-IoT的市场需求性,三种运行模式的设计具有一致性,但In-BandGuardBand两种运行模式则需特别考虑到对LTE系统的兼容性。NB-IoT所支持的最大数据速率(DataRate)在上行(Uplink)64Kbit/s,下行(Downlink)28Kbit/s

  来源:中国传动网

 


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