常用无线传输技术简介

物联网常用无线传输技术介绍智能分析系统部2018.41.物联网是什么？（IOT：Internetofthings：）是新一代信息技术的重要组成部分，也是“信息化”时代的重要发展阶段。顾名思义，物联网就是物物相连的互联网。•物联网用途广泛，遍及智能交通、环境保护、政府工作、公共安全、平安家居、智能消防、工业监测、环境监测、路灯照明管控、景观照明管控、楼宇照明管控、广场照明管控、老人护理、个人健康、花卉栽培、水系监测、食品溯源、敌情侦查和情报搜集等多个领域。•物联网将是下一个推动世界高速发展的“重要生产力”，是继通信网之后的另一个万亿级市场。1.物联网是什么？2.无线通信技术分类物联网常用无线通信技术一.短距离无线通信技术二.广域网无线通信技术（LPWAN：low-powerWide-AreaNetwork，低功耗广域网）WiFi、Bluetooth、ZigBee、Z-Wave、RFID、NFC......LoRa、NB-IOT、Sigfox、eMTC.....2.1WiFiWiFi（WireleSSFidelity：无线高保真），实际上是制定802.11无线网络协议的组织，并非代表无线网络。俗称无线宽带，是IEEE定义的一个无线网络通信的工业标准。WiFi其实是无线局域网（WLAN）的其中一种非常重要的技术，因为WLAN主流采用802.11协议，所以大家通常以WiFi来表示无线网络。主要特性为：①速度快；②组网简单；③覆盖范围广；④可靠性高2.1WiFi---2.4G频段•IEEE802.11b/g标准工作在2.4G频段，频率范围为2.400—2.4835GHz，共83.5M带宽•划分为14个子信道，每个子信道宽度为22MHz（20MHz有效带宽+2MHz保护带）•相邻信道的中心频点间隔5MHz，相邻的多个信道存在频率重叠(如1信道与2、3、4、5信道有频率重叠)，整个频段内只有3个（1、6、11）互不干扰信道•北美/FCC2.412-2.461GHz(11信道)•中国/欧洲/ETSI2.412-2.472GHz(13信道)•日本/ARIB2.412-2.484GHz(14信道）2.1WiFi---基础网基于AP组建的无线网络：•必须有一个AP（AccessPoint：接入点）负责接入站点•有多个STA（Station：站点）接入到AP•AP是网络的中心，可以管理网络的站点•STA之间不能直接通信，数据都需要经过AP的转发•每个AP组成一个BSS•AP要有一个SSID（ServiceSetID），需要设置工作信道、秘钥（如WAP）•AP模式：AP有线上行，无线下行•接入控制•认证与计费•数据转发2.1WiFi---自组网Ad-Hoc（点对点）模式：•一组具有无线功能的设备之间为数据共享而迅速建立起无线连接；•Adhoc模式网络是临时性的，无需依靠任何基础设施的非标准网络；•仅有两个及以上STA组成，网络中不存在AP，没有严格的控制中心；•各设备自发组网，设备之间是对等的；•网络中所有的STA之间都可以直接通信，不需要转发；•当结点要与其覆盖范围之外的结点进行通信时，需要中间结点的多跳转发；•是一个动态的网络。网络结点可以随处移动，也可以随时开机和关机，这些都会使网络的拓扑结构随时发生变化2.2Bluetooth：蓝牙（Bluetooth）是一种基于IEEE802.15.1无线技术标准，可实现固定设备、移动设备和楼宇个人域网之间的短距离数据交换，使用全球统一开放的2.4G的ISM波段，致力于在10～100m的空间内使所有支持该技术的移动或非移动设备可以方便地建立网络联系、进行话音和数据通信。在智能家居、穿戴产品等领域应用广泛。经典蓝牙（BR/EDR）(1)BR（BasicRate）：1Mb/s(2)EDR（EnhancedDataRate）：3Mb/s低功耗蓝牙(BLE:BluetoothLowEnergy):20Kb/s双模蓝牙：同时具有经典蓝牙和BLE蓝牙的模块或设备2.2Bluetooth---版本演进5.0相比4.0，2倍的速率提升，4倍的覆盖，8倍的广播信息2016.6.162.2Bluetooth---频带BR/EDR:共79个数据信道，频道间隔1M，其中32个广播信道。BLE:共40个数据信道，频道间隔2M，其中3个广播信道。2.2Bluetooth---常用profile：定义了设备之间实现一种连接或应用的规则。简单理解为应用层或者连接层协议。：（1）GAP（GenericAccessProfile）：该Profile保证不同的Bluetooth产品可以互相发现对方并建立连接，是其他蓝牙规范的基础。（2）SDP（ServiceDiscoveryProfile）：服务发现协议。蓝牙设备之间查询双方支持的profile或者服务。分类Profile全称用途典型应用场景BR/EDRProfileA2DPAdvancedAudioDistributionProfile蓝牙音频传输协议蓝牙音乐播放器播放远端设备的音乐HFPHands-freeProfile蓝牙通话免提协议蓝牙耳机接听或拨打电话OPPObjectPushProfile对象存储规范手机间传输文件、图片AVRCPAudio/VideoRemoteControlProfile音频/视频远程控制规范蓝牙耳机控制上/下一首、音量、暂停、播放PBAPPhonebookAccessProfile电话号码簿访问协议蓝牙耳机显示手机来电号码BLEProfileGATTGenericAttributeProfile通用属性协议BLE应用都基于GATTFMPFindMeProfile设备寻找蓝牙防丢器HRPHeartRateProfile心率协议蓝牙心率带2.2Bluetooth---常用profile2.2Bluetooth---组网方式•微微网（Pico网）微微网使用三个比特位给网内从设备进行编号，每个设备编号不同，每个微微网最多连接7个从设备。此外，在微微网中，从设备只能与主设备进行通信，从设备之间不能通信。多个微微网如果存在重叠区域，就形成了分散网，一个微微网的主设备，可以同时充当另一个微微网的从设备•分散网2.3ZigBee---简介•ZigBee是建立在IEEE802.15.4标准之上，是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通讯技术。主要用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输以及典型的有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据传输的应用。2.3ZigBee---协议模型Z802.15.4定义了物理层（PHY）和媒体访问控制层（MAC）层，ZigBee定义了网络层和应用层规范。2.3ZigBee---组网方式（1）协调器（ZC）---每个ZigBee网络必须要有一个---初始化网络信息，存储网络信息---启动和控制网络，网络认证中心（2）路由器（ZR）---允许其他网络设备加入---多跳路由，扩展网络覆盖---动态路由，备份路由防止网络拥挤（3）终端节点（ZED）---采集数据，向路由节点传递数据Zigbee技术具有强大的组网能力，可以形成星型、树形、Mesh网状型，可以根据实际项目需要选择合适的网络结构。Mesh网状拓扑结构的网络具有强大的功能，网络可以通过多级跳的方式来通信，网络覆盖范围可明显增加，网络还具备自组织、自愈能力；2.3ZigBee---应用ZigBee已广泛应用于物联网产业链中的M2M行业，如智能电网、智能交通、智能家居、金融、移动POS终端、供应链自动化、工业自动化、智能建筑、消防、公共安全、环境保护、气象、数字化医疗、遥感勘测、农业、林业、水务、煤矿、石化等领域。2.4近距离通信技术比较3广域网无线通信技术物联网的快速发展对无线通信技术提出了更高的要求，专为低带宽、低功耗、远距离、大量连接的物联网应用而设计的LPWAN(low-powerWide-AreaNetwork，低功耗广域网)也快速兴起。NB-IoT和LoRa是LPWAN最具有代表性的两种无线通信技术，具有不同的技术和商业特性，也是最有发展前景的两个低功耗广域网通信技术。这两种LPWAN技术都有覆盖广、连接多、速率低、成本低、功耗少等特点，都适合低功耗物联网应用，都在积极扩建自己的生态系统。LoRa与NB-IoT是最有发展前景的两个低功耗广域网通信技术。不过两者之间到底有什么区别和不同？谁又将更胜一筹占领LPWAN制高点呢？3.1LoRa---简介LoRa（LongRange）是LPWAN通信技术中的一种，是美国Semtech公司于2013年发布的一种基于扩频技术的超远距离无线传输方案。主要工作在全球各地的ISM免费频段（即非授权频段），包括主要的433、470、868、915MHz等。其最大特点是传输距离远、工作功耗低、组网节点多。LoRa采用了高扩频因子，从而获得了较高的信号增益。一般FSK的信噪比需要8dB，而LoRa只需要-20dB。其接受灵敏度达到了惊人的-148dbm，与业界其他先进水平的sub-GHz芯片相比，最高的接收灵敏度改善了20db以上，体现在应用上就是拥有5～8倍传输距离的提升。另外LoRa还应用了前向纠错编码技术，在传输信息中加入冗余，有效抵抗多径衰落。虽然牺牲了一些传输效率，但有效提高了传输可靠性。3.1LoRa---网络架构LoRa网络主要由终端（内置LoRa模块）、网关（或称基站）、网络服务器以及应用服务器组成。应用数据可双向传输。LoRa网络架构是一个典型的星形拓扑结构，在这个网络架构中，LoRa网关是一个透明传输的中继，连接终端设备和后端中央服务器。终端设备采用单跳与一个或多个网关通信。所有的节点与网关间均是双向通信。3.1LoRa---终端设备分类ClassA：节点按需主动上报数据，每一个终端上行传输后会伴随着两个下行接收窗口，平时休眠，只有在固定的窗口期才能接收网关下行数据。ClassA的优势是功耗极低。ClassB：ClassB模式是固定周期时间同步，在固定周期内可以随机确定窗口期接收网关下行数据，兼顾实时性和低功耗，特点是对时间同步要求很高ClassC：该模式是常发常收模式，节点不考虑功耗，随时可以接收网关下行数据，实时性好，适合不考虑功耗或需要大量下行数据控制的应用，比如智能路灯控制。3.1LoRa---关键特性和优势目前LoRa网络已经在世界多地进行试点或部署。据LoRa联盟年初的数据是有9个国家开始建网，56个国家开始进行试点；截至目前最新公布的数据，已经有17个国家公开宣布建网计划，120多个城市地区有正在运行的LoRa网络，如美国、法国、德国、澳大利亚、印度等等国家，荷兰、瑞士、韩国等更是部署或计划部署覆盖全国的LoRa网络。3.2NB-IoT：基于蜂窝的窄带物联网（NarrowBandInternetofThings,NB-IoT）成为万物互联网络的一个重要分支。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。2015年9月，NB-IoT标准应运而生；NB-IOT协议规范在2016年6月份的3GPPRelease13版本冻结。NB-IoT采用超窄带、重复传输、精简网络协议等设计，以牺牲一定速率、时延、移动性性能，获取面向LWPA物联网的承载能力。各运营商都已经重点投入NB-IoT网络的部署。3.2NB-IoT3.2NB-IoT---部署方案带内部署(In-bandoperation)•适用于LTE频段。利用LTE频带中间的资源块选取200K做主载波来部署NB-IoT。•频带资源丰富，覆盖较差•商用后期可能考虑独立部署(Standaloneoperation)•适用于重耕GSM频段。GSM的信道带宽为200KHz，这对NB-IoT180KHz的带宽足够了，两边还留出来10KHz的保护间隔；•频带资源丰富，覆盖良好。保护带部署(Guardbandoperati