现有物联网技术概述.pdf

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1、现有物联网技术概述随着物联网的高速发展，无线通信技术日新月异，除了 Wi-Fi 和 2G(GPRS)/3G/4G 等高功耗网络，还有 NB-IoT、WF-IoT、GPRS/2G、ZigBee、LoRa、SigFox、Blue Tooth、Spider、6LowPan、Z-wave 等低功耗网络被广泛应用在物联网通信当中。其中，ZigBee、Wi-Fi、Blue Tooth、Spider、6LowPan、Z-wave等都属于短距离的局域网技术。另外，还有电力载波通信（Power Line Communication，PLC）也被广泛应用。近年来，以NB-IoT、WF-IoT、LoRa、SigFo

2、x等为代表的低功耗广域网（Low Power Wide Area Network，LPWAN）迅速崛起，它们具有功耗低、通信距离远、抗干扰等鲜明特征，解决了终端设备互联场景下的多个痛点：.过于复杂；.昂贵的设备；.耗电不持久；.传输距离短。1 WF-IoT 技术WF-IoT 融合物联网是划时代的创新技术，其内核是唐芯系列物联网芯片，是一种基于 RFID 的低功耗广域网通信技术，是在 Air Lamp 商用物联网照明组网控制协议（AirLamp Light Link，ALL）上发展成熟的超远距离无线传输方案，可以为用户提供一种简单的能实现远距离、大容量、中高速、免付费、低功耗的物联网系统，具有显

3、著的物联网 2.0 特征，主要特性如下：大规模部署。采用网格拓扑，自由组网，单个网关可接入 6 万 5 千多个节点。多业务融合。可同时承载照明、识别定位、无线传感等多种业务应用。高时效。通信速率高达 2Mbps，可实现中高速率的数据传输。低成本。工作在国家标准预留的 780MHz 和 2.4GHz 射频识别频段5，既不违反国家无线电委员会的规定，又不用支付额外费用。低功耗。终端设备搭载轻量级、低功耗系统，采取单芯片集成和低功耗技术，设备节能、可靠，寿命更长。2 PLC 技术电力载波通信（PLC），是电力系统特有的通信方式，电力载波通讯是指利用现有电力线，通过载波方式将模拟或数字信号进行高速传输

4、的技术。目前，主要应用场景是远程抄表和路灯远程监控。PLC 的最大特点是不需要重新架设网络，只要有电线，就能进行数据传递。但 PLC 有以下缺点，导致未能大规模应用：（1）配电变压器对电力载波信号有阻隔作用。所以电力载波信号只能在一个配电变压器区域范围内传送。（2）电力载波信号一般在单相电力线上传输。三相电力线间有约 10dB 到 30dB 的信号损失。此外，通讯距离很近时，不同相的线路之间还可能会收到信号。（3）不同信号藕合方式对电力载波信号损失不同。电力载波的信号藕合方式主要有“线-地”藕合和“线-中线”藕合两种。其中，“线-地”藕合方式与“线-中线”藕合方式相比，电力载波信号少损失十几

5、dB，但“线-地”藕合方式不是所有地区电力系统都适用。（4）电力线存在本身固有的脉冲干扰。每一个交流周期的两次峰值会带来两次脉冲干扰，即我国电力线上有固定的 100Hz 或 120Hz 脉冲干扰，干扰时间约 2ms有一种利用波形过 0 点的短时间内进行数据传输的方法，但由于过 0 点时间短，实际应用与交流波形同步不好控制，现代通讯数据帧又比较长，所以难以应用。（5）电力线对载波信号造成高削减。当电力线上负荷很重时，线路阻抗可达 1以下，造成对载波信号的高削减。实际应用中，当电力线空载时，点对点载波信号可传输到几公里。但当电力线上负荷很重时，只能传输几十米。3 Blue Tooth 技术Blue

6、 Tooth（蓝牙）是一种无线技术标准，可实现固定设备、移动设备和楼宇个域网之间的短距离数据交换，使用 2.42.485GHz 的 ISM 波段的 UHF 无线电波。蓝牙技术最初由美国电信巨头爱立信公司于 1994 年创制，当时名为“短链接广播技术”，是作为 RS232 数据线的替代方案。如今，IEEE 将蓝牙技术列为IEEE802.15.1 标准。先后历经 1.0、1.0B、1.1、1.2、2.0+EDR、2.1+EDR、3.0+HS、4.0、4.1、4.2 等 10 个版本，最新版本为 5.0。蓝牙是基于数据包、有着主从架构的协议。一个主设备至多可和同一微微网中的七个从设备通讯。通讯路径为

7、准光学无线路径（无遮挡），两个蓝牙设备间为对称连接。蓝牙使用跳频技术，将传输的数据分割成数据包，通过 79 个指定的蓝牙频道分别传输数据包。每个频道的频宽为 1MHz。目前，蓝牙 4.0 使用 2MHz 间距，从 2402MHz 到 2480MHz 可容纳 40 个频道，有了适配跳频（Adaptive Frequency-Hopping，AFH）功能，通常每秒跳 1600 次。蓝牙 4.0 的数据吞吐量为 24Mbit/s。蓝牙最大功率输出 1 类为 100mW、2 类为 2.5mW、3 类为 1mW。4 Wi-Fi 技术Wi-Fi 是一种基于 IEEE802.11CSMA/CA 标准，允许电

8、子设备连接到一个无线局域网（WLAN）的技术，通常使用 2.4GHz（UHF）或 5GHz（SHF ISM）射频频段，连接节点不超过 256 个，通信距离大多在数十米内，传输速率可以轻易超过100Mbps，功耗一般50mW左右，以接入点（或热点，PA）为中心，通过接入点与路由网络里形成非对称的客户机-服务器连接。由于 Wi-Fi 通信几乎是所有智能手机、平板电脑和笔记本电脑等电子设备的基本功能，因而成为了当今使用最广的无线传输技术。5 移动通信技术移动通信技术先后经历了 1G、2G（GPRS）、3G、4G 的发展，目前 5G 正在形成。其中，G 是英文单词 Generation 的缩写，就是指

9、一代产品的意思。其中：1G（第一代移动通信第一代移动通信技术技术）。采用模拟蜂窝移动通信，缺点是抗干扰性能差，同时简单的使用 FDMA 技术，使得频率复用度和系统容量都不高。2G（第二代移动通信技术第二代移动通信技术）。2G 是数字通信，在抗干扰能力上大大增强，手机不再只有语音、短信这样单一的业务，还可以连入互联网，其 GPRS 的上网速率最高为 30Kbit/s 左右，主要制式有 GSM 和 CDMA，辐射功率比 1G 小得多。3G（第第三三代移动通信技术代移动通信技术）。相对于 2G 来说，3G 主要是扩展了频谱，增加了频谱利用率，提升了速率，更加利于internet业务，其上网速率最高为

10、 700Kbit/s左右，主要制式有 CDMA2000、WCDMA、TD-SCDMA 和 WiMAX 等四种，其辐射功率比 2G 小。4G（第四代移动通信技术第四代移动通信技术）。4G 相对于 3G 的改变主要有：(1)网络架构的大变化。LTE 抛弃了 2G、3G 一直沿用的基站-基站控制器（2G）/无线资源管理器（3G）-核心网这样的网络结构，而改成基站直连核心网，整个网络更加扁平化，降低时延，提升用户感受。(2)核心网全 IP 化。核心网方面抛弃了电路域，核心网迈向全 IP 化，统一由 IMS 承载原先的业务。(3)空中接口的关键技术得到提升。空中接口抛弃 CDMA 而改成 OFDM，其在

11、大带宽上比 CDMA更加具备可行性和适应性，大规模使用 MIMO 技术提升了频率复用度，跨载波聚合能获得更大的频谱带宽从而提升速率，上网速率最高为 100Mbit/s 左右，其辐射功率比 3G 小。6 NB-IoT 技术NB-IoT 是物联网领域的一个新兴技术，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），其英文全称为 Narrow Band Internet of Things。NB-IoT 构建于蜂窝网络，使用授权（License）频段，只消耗大约 180kHz 的带宽，可以采取带内、保护带或独立载波等方式，直接部署于 GSM 网络、UMTS 网络或 LTE 网络

12、，与现有移动通信网络共存，深受运营商赏识。由于 NB-IoT 具有覆盖广、连接多、速率低、成本低、功耗低、架构简单等优势，使其可以广泛应用于多种垂直行业，如远程抄表、资产跟踪、智能停车、智慧农业等。7 ZigBee 技术ZigBee 是一种基于 IEEE802.15.4 标准的短距离、低功耗 LPWAN 技术低功耗局域网协议，工作频率为 2.4GHz、868MHz、915MHz，信道带宽分别为 0.6MHz、2MHz 和 5MHz，信道数分别有 1 个、10 个和 16 个，主要用于个人区域网和对等网络，适用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。其主要特点如下：（1）功耗。在低耗电待机模

13、式下，2 节 5 号干电池可支持 1 个节点工作 624 个月。（2）速率。分别提供 250kbps（2.4GHz）、40kbps（915MHz）和 20kbps（868MHz）的原始数据吞吐率。（3）距离。传输范围一般介于 10m100m 之间，在增加发射功率后，亦可增加到 3km。（4）时延。从睡眠转入工作状态只需 15ms，节点接入网络只需 30ms。（5）容量。一个主节点最多可管理 254 个子节点，同时主节点还可由上一层网络节点管理，最多可组成 65000 个节点的网络。8 LoRa 技术LoRa 是美国南加州 Semtech 公司采用和推广的一种基于扩频技术的远距离无线传输的 LP

14、WAN 技术，其英文全称为 Long Range。LoRa的常用频段为433MHz、470MHz510MHz、780MHz以及欧美的 868MHz 和 915MHz，速率约 40kbps 左右，采用MESH 网络架构。LoRa 改变了以往关于传输距离与功耗的折衷考虑方式，为用户提供一种简单的能实现远距离、长电池寿命、大容量的系统。中国 LoRa 应用联盟（China Lora Application Alliance，CLAA）是在 LoRa Alliance 支持下，由中兴通讯发起，各行业物联网应用创新主体广泛参与、合作共建的技术联盟，旨在共同建立中国 LoRa 应用合作生态圈，推动 LoR

15、a 产业链在中国的应用和发展。9 SigFox 技术Sigfox 是以超窄带（Ultra Narrow Band，UNB）技术建设物联网设备专用的无线网络，是法国 Sigfox 公司采用和推广的远距离无线传输的 LPWAN 技术，速度约为 100bps。Sigfox 公司向芯片制造商免费提供技术，鼓励芯片厂家在其产品中集成 Sigfox 技术。TI、Intel、Atmel、SiliconLab等公司均生产支持 Sigfox 技术的各种芯片。目前，Sigfox 网络已覆盖法国、西班牙全境，美国、荷兰和英国部分城市。10 Spider（DDA）技术Spider 是深圳盈广创制的中短距离无线传输 L

16、PWAN 技术。Spider 网络基于 IEEE802.15.4g 标准，工作频率范围为 240MHz到 930MHz，协议软件自动划分为 200 个信道进行跳频通讯，传输速率1bps。最大终端数 65500 个，最大业务种类 256 个，理论最远传输距离 2km，城市视距传输距离200m，建筑物内传输距离35m，电池续航时间 6 个月6 年，同网设备间采用时分复用技术抗干扰，同类旁网间采用频分复用技术抗干扰，通讯可靠性在无人工干预情况下实现 100%。目前，Spider 更名为 DDA，主要在家居、停车场等领域有应用。11 6LowPan 技术6LoWPAN 是一种基于 IPv6 的低速无线

17、个域网标准，即 IPv6 over IEEE 802.15.4。其中，IEEE 802.15.4标准设计用于开发可以靠电池运行 1 到 5 年的紧凑型低功率廉价嵌入式设备（如传感器）。该标准使用工作在 2.4GHz 频段的无线电收发器传送信息，使用的频带与 Wi-Fi 相同，但其射频发射功率大约只有 Wi-Fi 的 1%。这限制了IEEE 802.15.4 设备的传输距离，因此，多台设备必须一起工作才能在更长的距离上逐跳传送信息和绕过障碍物。随着 IPv4 地址的耗尽，IPv6 是大势所趋。物联网技术的发展，将进一步推动 IPv6 的部署与应用。IETF 6LoWPAN 技术具有无线低功耗、自

18、组织网络的特点，是物联网感知层、无线传感器网络的重要技术，ZigBee 新一代智能电网标准中 SEP2.0已采用 6LoWPAN 技术，随着美国智能电网的部署，6LoWPAN 将成为事实标准以替代 ZigBee 标准。12 Z-wave 技术Z-Wave 是一种新兴的基于射频的、低成本、低功耗、高可靠、适于网络的短距离无线传输的 LPWAN 技术。频带为 908.42MHz（美国）868.42MHz（欧洲），采用 FSK（BFSK/GFSK）调制方式，数据传输速率为 9.6 kbps，信号的有效覆盖范围在室内是 30m，室外可超过 100m。Z-Wave 主要定位于智能家居无线控制领域，适合于窄带宽应用场合。在欧美普及率比较高，有 NTLC、JASCO、NEC 等知名厂商支持。WF-IoT 平台是基于 WF-IoT 技术构建物联网应用，提供稳定、可靠、安全、适用的数据信息通道。