物联网网络通道技术及应用探讨

《物联网技术》杂志
2021-10-14 16:46
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引 言

随着物联网技术的不断演进发展,全球信息科技发展正经历着从互联网、移动互联网到物联网的延伸。芯片巨头、IT 厂商、电信运营商、互联网企业等也纷纷进行物联网生态布局,抢占行业发展先机,构建物联网生态体系。预计未来 5~10 年物联网连接数和市场规模将发生大规模井喷式发展,物联网将成为下一个万亿级别的通信业务。

1 物联网概述

物联网(Internet of Things,IoT)是指通过信息传感设备, 按照约定的协议把任何物品与信息网络连接起来进行信息交互和通讯,以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。

物联网技术架构从下到上依次为感知层、网络层、应用层。感知层可感知和识别物体,完成信息的收集和简单处理, 由各类传感器、摄像头、GPS、被感知物体等组成 ;网络层可完成各类设备的网络接入,传递感知层获取的信息,该层强调网络通道接入方式,如光纤、WiFi、蓝牙、4G 等;应用层可将物联网技术与行业需求、应用服务相结合,实现广泛的智能化应用,包括中间件、通用服务平台、数据服务平台等 [1-3]。物联网技术架构如图 1 所示。

图1 物联网技术架构

2 物联网网络通道技术特点

2.1 物联网网络通道技术分类

早期的物联网多采用有线方式,随着无线通信技术的发展,物联网终端接入更多采用无线方式。本文针对无线通信技术进行研究。

根据通信距离的远近,物联网网络通道技术可分为短距离通信技术和长距离通信技术 [4]。物联网网络通道技术分类如图 2 所示。

2.2 短距离通信技术特点

2.2.1 ZigBee

ZigBee 是一种短距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线通信协议。ZigBee工作在 3 个免执照频段,分别为 2.4 GHz、868 MHz(欧洲)、915 MHz(美国)。

ZigBee 技术的优点如下所示:

(1) 数据传输速率低,为10~250 Kb/s。

(2) 功耗低。在待机模式下,两节 5号电池可用 6~24个月,在休眠模式下使用时间可达 10年。


(3)成本低。协议简单且免专利费。
(4)网络容量大,最多可容纳 65 000 个设备。
(5)安全性较高。
(6)传输可靠。
(7)工作频段灵活。
ZigBee 技术具有如下缺点 :
(1)延时较高,约 15 ~30 ms ;
(2)有效范围小,有效覆盖范围为 10 ~75 m。
(3)抗干扰能力较差。
2.2.2 蓝牙
蓝牙(Bluetooth)是一种无线数据与语音通信的开放性全球规范。蓝牙工作在 2.4 GHz 的 ISM 频段,为免执照频段。
蓝牙技术有如下优点 :
(1)全球范围适用。
(2)传输速率快,可支持语音和数据传输。
(3)具有很好的抗干扰能力。
(4)安全性高。
(5)蓝牙模块体积小,便于集成。
(6)低功耗,定义了 3 种工作低功耗模式。
(7)开放的接口标准。
(8)成本较低。
蓝牙技术缺点如下所示:
(1)传输范围有限,在 10 m 以内。
(2)网络节点少,不适合多点布控。
2.2.3 WiFi
WiFi
Wireless-Fidelity)是无线局域网(WLAN)中的一个标准。通常 WiFi 技术使用 2.4 GHz 和 5 GHz 周围频段。
WiFi 技术的优点如下:
(1)数据传输速率快,最高可达 11 Mb/s。
(2)应用广易于部署。
缺点包括以下几方面:
(1)传输安全性较低,抗干扰能力不强,信号在建筑物内易受墙壁阻隔的影响,稳定性较差。
(2)功耗略高。
(3)组网能力差。
2.2.4 短距离通信技术特点对比 


短距离通信技术的技术特点见表 1 所列。 

2.3 长距离通信技术特点 

2.3.1 移动蜂窝通信技术 

目前运营商已经构建了覆盖全球的移动蜂窝网络,其优 势在于覆盖范围广,速率高。移动蜂窝技术具有功耗高,成本高, 稳定性一般等缺点,且大部分物联网设备的特点是尺寸小,电 池供电,还经常会被放在网络覆盖不好甚至无信号的地方,因 此移动蜂窝通信技术不适于大部分物联网应用。

移动蜂窝技术常应用于高速率业务,如要求实时数据传 输的车载物联网设备和监控摄像头等。 

2.3.2 低功耗广域网 

低功耗广域网(Low-Power Wide-Area,LPWA)是专为 低带宽、低功耗、远距离、大量连接的物联网应用而设计, 包括非授权频段技术如 LoRa、Sigfox 等,授权频段技术如 NB-IoT、eMTC 等 [4]。 

2.3.2.1 非授权频段技术——LoRa LoRa

(Long Range)是一种基于 1 GHz 以下的超长距 低功耗数据传输技术。LoRa 在免费频段运行(433/868/915 MHz)。LoRa 数据传输速率低,速率范围为 0.3 ~37.5 Kb/s。

 LoRa 具有如下技术特点 : 

(1)长距离 :相比业界 sub-Ghz 芯片提升约 20 dB 增益, 接收灵敏度提升 20 db 以上,通信距离达 15 km 以上。 

(2)低功耗 :采用异步通信机制,当其要发送的数据准 备好时开始通信;电池寿命长达 10 年。 

(3)低成本 :使用非授权频段,协议和调制机制简单, 设计制造成本低。 

(4)大容量:通过 LoRa 网关有效扩展系统容量,单个网 关连接数量可达数万个节点;使用线性调频扩频调制技术,使 网关能并行接收并处理多个节点的数据。 

2.3.2.2 授权频段技术——NB-IoT 

由于终端传输的数据量很少,物联网应用的 ARPU 值较 低,因此需要一种技术方便运营商在现有网络基础上升级以 支持物联网,因此宽窄物联网(Narrow Band-IoT,NB-IoT) 应运而生。 

NB-IoT 技术特点如下: 

(1)覆盖范围广且深 :比 GPRS 提升约 20 dB 增益,且 具有更高的功率谱密度,更多重传次数,有效提升了覆盖广度 和深度,可提供 10 倍于 GPRS 的覆盖面积。


(2)低功耗 :设备功耗小,5 号电池使用寿命可达 5 ~10 年。借助节电模式(Power Saving Mode,PSM)和延长的非 连续接受(Enhanced Discontinuous Reception,eDRX)模式, 减少终端监听网络频度,实现更长待机。 

(3)成本较低:采用简化的协议栈,降低基带处理复杂度; 功率放大器小、尺寸小,可降低成本。 

(4)海量连接 :采用窄带技术,提高信道容量;减少空 口信令开销,提高频谱效率,提供 50 ~100 倍于移动蜂窝技 术的接入数。

(5)安全稳定:继承 4G 网络安全能力,提供电信级的可 靠接入。 

2.3.3 LPWA 通信技术对比

表 2 以 LoRa 和 NB-IoT 为例,比较 LPWA 通信技术的 技术特点。 

NB-IoT 在抗干扰性、可靠性等方面略胜一筹,LoRa 则 在成本、产业链成熟度等方面占优势。NB-IoT 和 LoRa 类似 运营商的公网与公安、铁路等行业专用网络的关系。 

3 物联网网络通道技术典型应用场景 

3.1 家居生活 

家庭安防是智能家居最早的尝试之一,安防网络包含的 传感器数量较多,对网络容量、安全要求较高,同时还涉及设 备间的联动,要求能自动组网。ZigBee 网络容量大、可自组网 的特点使其适用于家庭安防场景。 

智能家电是智能家居的另一领域,要求通过互联网进 行远程操控。现阶段智能家电尚未普及,少量智能家电通过 WiFi 技术将家电直接联网即可实现。未来,整套智能家居解 决方案中,接入终端数量众多,且需要联网操作,因此可采用 ZigBee 加网关的方式实现互联网接入。 

室内外视频监控对网络带宽的要求极高,需要接入互联 网便于远程查看,因此 WiFi 或有线方式是较好的选择。 

可穿戴设备已深入人们的生活,且大部分穿戴类产品需 要通过手机实现联网。由于穿戴类设备本身电池的大小和容量 有限,频繁充电会影响用户体验,因此要求低功耗。ZigBee 和蓝牙技术均符合要求,但目前很少有集成 ZigBee 的手机, 更多采用蓝牙技术。 

3.2 工农业生产 

智能农业中需要部署大量传感器如温湿度、风力、光照 传感器等,在工业控制领域同样需要部署大量传感器对机械 进行监测、控制,这类场景不仅要求网络容量大,且功耗要求 低,ZigBee 技术比较适宜。采用 ZigBee 加网关联网,可根据 环境状况对农业设施进行远程控制,实现自动灌溉、风机降温、 卷帘遮阳、LED 补光 ;根据机械监测数据对工业机械进行实 时调整和配置。 

此外采用 WiFi 或有线方式部署摄像头可实现农业大棚及 工业生产车间的视频监控。 

3.3 城市管理 

未来城市管理中,采用物联网将使管理更智能、精准。 智能停车是应用最广泛的城市物联网,目前常用的方式是车辆 检测器用非授权频段(如 ZigBee)进行无线传输,将车位信息 上报给汇聚网关,再通过运营商网络上报到管理平台。但由 于非授权频段通信存在信号干扰,网络稳定性、安全性较差, 且汇聚网关覆盖范围有限,通常一个网关只能管理 10~15 个车 位,部署复杂度较高,因此采用 NB-IoT 方式。NB-IoT 可提 供运营商级别的网络保障,无需部署汇聚网关,整体成本(设 备成本、部署成本、维护成本)下降,且后续车位扩容简单, 无需考虑网络兼容性问题,将成为未来应用的技术方向。 

此外,智能井盖、智能垃圾桶等也是智慧城管的典型应用。 井盖、垃圾桶数量众多,放置范围广且环境较差,需要传输 的数据量极小,NB-IoT 技术适用于此类场景,将有效助力智 慧城市管理建设。 

3.4 企业物联网组网 

对于有特定运营需求的企业级网络,如电力、水务、燃 气行业等,以及相对封闭的企业体系,往往不希望采用公用网 络承载其物联网业务。LoRa、SigFox 等非授权频段网络技术 可用于企业自建 IoT 网络,以保持企业对定价、客户服务、内 部管理等的可控性。典型的应用包括智慧水务、智慧油田、物 流跟踪等。 

4 结 语 

随着信息技术的飞速发展,万 物互联的时代已经来临。目前已出 现了众多物联网网络通道技术,并 且在较长一段时期内,物联网仍将 处于蓝海阶段,新的网络技术也将 不断涌现,而新的应用也将不断被 发掘。如何针对不同的应用场景, 选择合适的通信技术是开展物联网 应用部署的关键。



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