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

引 言

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷演進發(fā)展，全球信息科技發(fā)展正經(jīng)歷著從互聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)網(wǎng)到物聯(lián)網(wǎng)的延伸。芯片巨頭、IT 廠商、電信運營商、互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)等也紛紛進行物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)布局，搶占行業(yè)發(fā)展先機，構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)體系。預(yù)計未來 5～10 年物聯(lián)網(wǎng)連接數(shù)和市場規(guī)模將發(fā)生大規(guī)模井噴式發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)將成為下一個萬億級別的通信業(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)連接起來進行信息交互和通訊，以實現(xiàn)智能化識別、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。感知層可感知和識別物體，完成信息的收集和簡單處理， 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，該層強調(diào)網(wǎng)絡(luò)通道接入方式，如光纖、WiFi、藍牙、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，實現(xiàn)廣泛的智能化應(yīng)用，包括中間件、通用服務(wù)平臺、數(shù)據(jù)服務(wù)平臺等 [1-3]。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)架構(gòu)如圖 1 所示。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)架構(gòu)

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

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，隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)終端接入更多采用無線方式。本文針對無線通信技術(shù)進行研究。

根據(jù)通信距離的遠近，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

2.2.1 ZigBee

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

ZigBee 技術(shù)的優(yōu)點如下所示：

(1) 數(shù)據(jù)傳輸速率低，為10～250 Kb/s。

(2) 功耗低。在待機模式下，兩節(jié) 5號電池可用 6~24個月，在休眠模式下使用時間可達 10年。

短距離通信技術(shù)的技術(shù)特點見表 1 所列。 

2.3 長距離通信技術(shù)特點 

2.3.1 移動蜂窩通信技術(shù) 

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

移動蜂窩技術(shù)常應(yīng)用于高速率業(yè)務(wù)，如要求實時數(shù)據(jù)傳 輸?shù)能囕d物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備和監(jiān)控攝像頭等。 

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、遠距離、大量連接的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用而設(shè)計， 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)——LoRa LoRa

（Long Range）是一種基于 1 GHz 以下的超長距 低功耗數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)。LoRa 在免費頻段運行（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 ： 

（1）長距離 ：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 15 km 以上。 

（2）低功耗 ：采用異步通信機制，當其要發(fā)送的數(shù)據(jù)準 備好時開始通信；電池壽命長達 10 年。 

（3）低成本 ：使用非授權(quán)頻段，協(xié)議和調(diào)制機制簡單， 設(shè)計制造成本低。 

（4）大容量：通過 LoRa 網(wǎng)關(guān)有效擴展系統(tǒng)容量，單個網(wǎng) 關(guān)連接數(shù)量可達數(shù)萬個節(jié)點；使用線性調(diào)頻擴頻調(diào)制技術(shù)，使 網(wǎng)關(guān)能并行接收并處理多個節(jié)點的數(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)方便運營商在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上升級以 支持物聯(lián)網(wǎng)，因此寬窄物聯(lián)網(wǎng)（Narrow Band-IoT，NB-IoT） 應(yīng)運而生。 

NB-IoT 技術(shù)特點如下： 

（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 號電池使用壽命可達 5 ～10 年。借助節(jié)電模式（Power Saving Mode，PSM）和延長的非 連續(xù)接受（Enhanced Discontinuous Reception，eDRX）模式， 減少終端監(jiān)聽網(wǎng)絡(luò)頻度，實現(xiàn)更長待機。 

（3）成本較低：采用簡化的協(xié)議棧，降低基帶處理復雜度； 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 口信令開銷，提高頻譜效率，提供 50 ～100 倍于移動蜂窩技 術(shù)的接入數(shù)。

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

2.3.3 LPWA 通信技術(shù)對比

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

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。NB-IoT 和 LoRa 類似 運營商的公網(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，對網(wǎng)絡(luò)容量、安全要求較高，同時還涉及設(shè) 備間的聯(lián)動，要求能自動組網(wǎng)。ZigBee 網(wǎng)絡(luò)容量大、可自組網(wǎng) 的特點使其適用于家庭安防場景。 

智能家電是智能家居的另一領(lǐng)域，要求通過互聯(lián)網(wǎng)進 行遠程操控?，F(xiàn)階段智能家電尚未普及，少量智能家電通過 WiFi 技術(shù)將家電直接聯(lián)網(wǎng)即可實現(xiàn)。未來，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)的方式實現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)接入。 

室內(nèi)外視頻監(jiān)控對網(wǎng)絡(luò)帶寬的要求極高，需要接入互聯(lián) 網(wǎng)便于遠程查看，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 要通過手機實現(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，頻繁充電會影響用戶體驗，因此要求低功耗。ZigBee 和藍牙技術(shù)均符合要求，但目前很少有集成 ZigBee 的手機， 更多采用藍牙技術(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機械 進行監(jiān)測、控制，這類場景不僅要求網(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)境狀況對農(nóng)業(yè)設(shè)施進行遠程控制，實現(xiàn)自動灌溉、風機降溫、 卷簾遮陽、LED 補光 ；根據(jù)機械監(jiān)測數(shù)據(jù)對工業(yè)機械進行實 時調(diào)整和配置。 

此外采用 WiFi 或有線方式部署攝像頭可實現(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 

未來城市管理中，采用物聯(lián)網(wǎng)將使管理更智能、精準。 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 檢測器用非授權(quán)頻段（如 ZigBee）進行無線傳輸，將車位信息 上報給匯聚網(wǎng)關(guān)，再通過運營商網(wǎng)絡(luò)上報到管理平臺。但由 于非授權(quán)頻段通信存在信號干擾，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，通常一個網(wǎng)關(guān)只能管理 10~15 個車 位，部署復雜度較高，因此采用 NB-IoT 方式。NB-IoT 可提 供運營商級別的網(wǎng)絡(luò)保障，無需部署匯聚網(wǎng)關(guān)，整體成本（設(shè) 備成本、部署成本、維護成本）下降，且后續(xù)車位擴容簡單， 無需考慮網(wǎng)絡(luò)兼容性問題，將成為未來應(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 的數(shù)據(jù)量極小，NB-IoT 技術(shù)適用于此類場景，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) 

對于有特定運營需求的企業(yè)級網(wǎng)絡(luò)，如電力、水務(wù)、燃 氣行業(yè)等，以及相對封閉的企業(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)對定價、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 

隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，萬 物互聯(lián)的時代已經(jīng)來臨。目前已出 現(xiàn)了眾多物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)通道技術(shù)，并 且在較長一段時期內(nèi)，物聯(lián)網(wǎng)仍將 處于藍海階段，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。如何針對不同的應(yīng)用場景， 選擇合適的通信技術(shù)是開展物聯(lián)網(wǎng) 應(yīng)用部署的關(guān)鍵。