物联网的那些事----------01无线通信技术介绍

概述

当今时代，无线通信在人们的生活中扮演越来越重要的角色，摆脱物理连接上的限制，自由地、随时随地地接入网络获取信息，已经成为当今社会的一种强烈需求。伴随着物联网的迅猛发展，无线技术也正在迅速发展，并在人们的生活中发挥越来越大的作用。而随着无线应用的增长，各种技术和设备也会越来越多，也越来越依赖于无线通信技术。

无线通信技术从通信距离上分为两大类：远距离无线广域网通信技术[WAN]、近距离无线局域网通信技术[LAN]。

无线广域网(Wireless Wide Area Networks)主要是为了满足超出一个城市范围的信息交流和网络接入需求，让用户可以和在遥远地方的人建立无线连接。最具代表的是移动通信技术【Mobile/WAN】如：GSM、GPRS、GPS、CDMA、3G、4G只到当今的5G，如今已经深深的改变了人类的生活方式，大家再熟悉不过了。但是随着物联网的兴起，即“万物相连的互联网”，是互联网基础上的延伸和扩展的网络，目的是将各种信息传感设备与互联网结合起来而形成的一个巨大网络，实现在任何时间、任何地点，人、机、物的互联互通。为了要实现万物互联，人们对产品的功耗、成本、安全有了更高的要求，低功耗窄带广域网【LWPAN】由此诞生了，通过近几年的快速发展，其中应用最为广泛和代表性的低功耗广域网无线通信技术有三种，分别是NB-IOT/LoRa/Sigfox。

短距离无线通信技术的范围很广，在一般意义上，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的范围
内，就可以称为短距离无线通信。随着人类不断探索和发展，其中应用最为广泛和代表性的短距离无线数据通信标准有5种，分别是紫蜂(ZigBee)、无线宽带(Wi-Fi)、蓝牙（Bluetooth）、超宽带（UWB）和近距通信（NFC）。它们基本上覆盖了目前市面的各种应用需求，在各自的领域发挥着巨大的作用。

2、不同无线技术介绍

2.1 NB-IOT

窄带物联网（Narrow Band Internet of Things, NB-IoT）成为万物互联网络的一个重要分支。NB-IoT构建于移动通信蜂窝网络，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-IoT是IoT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(LPWAN)。NB-IoT支持待机时间长、对网络连接要求较高设备的高效连接。

低功耗广域网LPWAN市场并不是一件新鲜事，它已存在超过10年。但是，该市场中的许多技术都存在缺点，例如可靠性差，安全性差，缺乏标准化或专用频谱。

　　NB-IoT克服了许多这些限制，因为它基于标准和运营商级，在授权专用频段工作，为企业提供一系列新的长期和短期利益，包括：

　　1、低功耗和长寿命电池

　　没有人原意为电视遥控器频繁更换电池，更不用说每隔几个月更换一百万台数字设备的电池了。NB-IoT具有更简单的波形，因此功耗低，事实上，使用5瓦/小时电池的设备可以使用长达10年。

　　2、更高的安全性

　　NB-IoT的安全性和4G一样，具有加密和基于SIM卡的身份验证功能。该技术比WiFi和蓝牙更安全，因为，它使用拥挤的无线电频谱，更容易受到干扰。

　　3、节省成本

　　NB-IoT使用更少的电力，节省的电力可以节省大量成本。此外，支持NB-IoT模块成本远低于标准4G模块。

4、运营商级可靠性

　　NB-IoT是一种标准化技术，允许公司在授权频谱上运行和连接无数设备。这意味着运营商可以为解决方案提供服务级别协议，并为用户提供更高的可靠性和质量。

　　5、使用场景广泛

　　NB-IoT技术专为室内扩展覆盖而设计，设备复杂度低。这为用户提供了一系列业务案例的远程连接和更大的灵活性，几乎可以在任何场景部署。

2.2 LoRa

LoRa 是LPWAN通信技术中的一种，是美国Semtech公司采用和推广的一种基于扩频技术的超远距离无线传输技术。这一方案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、电池长寿命、大容量的系统，进而扩展传感网络。目前，LoRa 主要在全球免费频段运行，包括433、470、868、915MHz等。

LoRa的名字就是远距离无线电（Long Range Radio），它最大特点就是在同样的功耗条件下比其他无线方式传播的距离更远，实现了低功耗和远距离的统一，它在同样的功耗下比传统的无线射频通信距离扩大3-5倍。

LoRa的特性

传输距离：高达157db的链路预算使其通信距离城镇可达2-5 Km ，郊区可达15 Km 。

工作频率：ISM 频段包括433、470、868、915 MH等。

标准：IEEE 802.15.4g。

调制方式：基于扩频技术，线性调制扩频（CSS）的一个变种，具有前向纠错（FEC）能力，semtech公司私有专利技术。

容量：一个LoRa网关可以连接上千上万个LoRa节点。

电池寿命：长达10年。安全：AES128加密。

传输速率：几百到几十Kbps，速率越低传输距离越长。

组网优点：易于建设和部署公网或私网，运营成本低。

2.3 ZigBee

ZigBee，也称紫蜂，是一种低速短距离传输的无线网上协议，底层是采用 IEE802 .15.4标准规范的媒体访问层与物理层。主要特色有低速、低耗电、低成本、支持大量网上节点、支持多种网上拓扑、低复杂度、快速、可靠、安全。可为家庭和楼宇自动化提供完整且可互操作的物联网解决方案。

ZigBee的工作频率有下面三种标准：
   (1)868 MHz 传输速率为20 kb/s 适用于欧洲；
   (2)915 MHz 传输速率为40 kb/s 适用于美国。
   (3)2.4 GHz 传输速率为250 kb/s 全球通用。
   目前，国内都在使用2.4 GHz的工作频率，其带宽为5 MHz，有16个信道。采用直接扩频(DSSS)方式的OQPSK调制技术。而基于IEEE 802.15.4的ZigBee在室内通常能达到30～50 m作用距离,在室外如果障碍物少,甚至可以达到100 m作用距离。它的优势和不足如下文所述。
   ZigBee技术的优势：
   (1)功耗低。在低耗电待机模式下，两节普通5号干电池可使用6个月以上。这也是ZigBee的支持者所一直引以为豪的独特优势。
   (2)成本低。因为ZigBee数据传输速率低，协议简单，所以大大降低了成本。
   (3)网络容量大。每个ZigBee网络最多可支持65 535个设备，也就是说每个ZigBee设备可以与另外254台设备相连接。
   ZigBee技术的不足：
   ZigBee技术本身是一种为低速通信而设计的规范，它的最高通信速度只有250 kb/s，对一些大数据量通信的场合它并不合适，但是这一特点会逐渐改变，一些厂商生产的ZigBee芯片目前也突破了这个限制，如CEL公司的ZICM2410，已经达到1 MHz的传输速率。
   ZigBee 并不是用来与Wi-Fi或者Bluetooth等其他已经存在的标准竞争，它的目标定位于现存的系统还不能满足其需求的特定的低功耗低速率的市场，它有着广阔的应用前景。

2.4 NFC

近场通信（Near Field Communication，简称NFC），是一种新兴的技术，使用了NFC技术的设备（例如移动电话）可以在彼此靠近的情况下进行数据交换，是由非接触式射频识别（RFID）及互连互通技术整合演变而来的，通过在单一芯片上集成感应式读卡器、感应式卡片和点对点通信的功能，利用移动终端实现移动支付、电子票务、门禁、移动身份识别、防伪等应用。

NFC提供的是一种简单、触控式的解决方案，操作简单、快捷。

2.5 Bluetooth

蓝牙，是一种支持设备短距离通信（一般10m内）的无线电技术，能在包括移动电话、PDA、无线耳机、笔记本电脑、相关外设等众多设备之间进行无线信息交换。利用“蓝牙”技术，能够有效地简化移动通信终端设备之间的通信，也能够成功地简化设备与因特网Internet之间的通信，从而数据传输变得更加迅速高效，为无线通信拓宽道路。

蓝牙设备工作在全球通用的2.4 GHz ISM（即工业、科学、医学）频段，设备之间的通信是以跳频的形式进行的，能够实现很强的保密性。目前，最高的通信速率2 Mb/s，通信距离一般在10 m以内。目前，蓝牙技术主要应用在手机、PDA、无线耳机、笔记本电脑、相关外设等众多设备之间的无线信息交换。利用“蓝牙”技术，能够有效地简化移动通信终端设备之间的通信，实现高效、高保密的信息交流。
   Bluetooth技术的优势：
   (1)安全性高。Bluetooth设备在通信时，工作的频率是不停地同步变化的，也就是常说的跳频通信。通信双方的信息很难被捕获，更谈不上被破解和恶意插入欺骗信息了。
   (2)易于使用。Bluetooth 技术是一项即时技术，它不要求固定的基础设施，且易于安装和设置。
   Bluetooth技术的不足：
   (1)通信速度不高。蓝牙设备的通信速度较慢，目前最高只能达到2 Mb/s，有很多的应用需求不能得到满足。
   (2)传输距离短。蓝牙规范最初就是为近距离通信而设计的，所以它的通信距离比较短，一般不超过10 m。

2.6 WIFI

WIFI是一种能够将个人电脑、手持设备（如PAD、手机）等终端以无线方式互相连接的技术。WiFi是一个无线网络通信技术的品牌，由Wi-Fi联盟(Wi-Fi Alliance)所持有。目的是改善基于IEEE 802.11标准的无线网路产品之间的互通性。使用IEEE 802.11系列协议的局域网就成为Wi-Fi。

Wi-Fi设备工作在全球通用的2.4 GHz ISM频段。目前在应用的协议标准主要有以下三种：
   (1)IEEE 802.11b：工作频段2.4 GHz，其带宽为83.5 MHz，有13个信道，使用DSSS(直接序列扩频技术)，最大理论通信速率为11 Mb/s。
   (2)IEEE 802.11g：工作频段2.4 GHz，其带宽为83.5 MHz，有13个信道，使用OFDM(正交频分技术)，最大理论通信速率为54 Mb/s。
   (3)IEEE 802.11n: 工作频段2.4 GHz/5.0 GHz，其带宽为83.5 MHz/125 MHz，有13/5个信道，使用MIMO技术（多入多出技术），最大理论通信速率为300 Mb/s。
   无线宽带通信距离一般在200 m范围以内。针对一些特殊的应用场合，加大通信双方设备的输出功率，通信距离可以超过2 km。目前，它主要应用在无线的宽带互联网的接入，是在家里、办公室或在旅途中上网的快速、便捷的途径。

Wi-Fi技术有下面几个优势：
   (1)覆盖广。其无线电波的覆盖范围广，穿透力强。可以非常方便地为整栋的大楼提供无线的宽带互联网的接入。
   (2)速度高。Wi-Fi技术的传输速度非常快，支持IEEE 802.11n协议设备的通信速度可以高达300 Mb/s，能满足人们接入互联网，浏览和下载各类信息的需求。
   (3)门槛低。厂商只要在机场、车站、咖啡店、图书馆等人员较密集的地方设置“热点”，支持Wi-Fi的各种设备(例如：手机、手提电脑、PDA)都可以通过Wi-Fi网络非常方便地高速接入互联网。
   Wi-Fi技术的不足：
   Wi-Fi技术的不足是安全性不好。由于Wi-Fi设备在通信中没有使用跳频等技术，虽然使用了加密协议但是还是存在被破解的隐患。

2.7 UWB

UWB技术是一种使用1GHz以上频率带宽的无线载波通信技术。它不采用正弦载波，而是利用纳秒级的非正弦波窄脉冲传输数据，因此其所占的频谱范围很大，尽管使用无线通信，但其数据传输速率可以达到几百兆比特每秒以上。

UWB技术始于20世纪60年代兴起的脉冲通信技术。UWB技术利用频谱极宽的超宽基带脉冲进行通信，故又称为基带通信技术、无线载波通信技术，主要用于军用雷达、定位和低截获率/低侦测率的通信系统中。2002年2月，美国联邦通信委员会发布了民用UWB设备使用频谱和功率的初步规定。该规定中，将相对带宽大于0.2或在传输的任何时刻带宽大于500MHz的通信系统称为UWB系统，同时批准了UWB技术可用于民用商品。

UWB技术特点

（1）抗干扰性能强

UWB采用跳时扩频信号，系统具有较大的处理增益，在发射时将微弱的无线电脉冲信号分散在宽阔的频带中，输出功率甚至低于普通设备产生的噪声。接收时将信号能量还原出来，在解扩过程中产生扩频增益。因此，与IEEE802．11a、IEEE802．11b和蓝牙相比，在同等码速条件下，UWB具有更强的抗干扰性。

（2）传输速率高

UWB的数据速率可以达到几十Mbit／s到几百Mbit／s，有望高于蓝牙100倍，也可以高于IEEE802．11a和IEEE802．11b。

（3）带宽极宽

UWB使用的带宽在1GHz以上，高达几个GHz。超宽带系统容量大，并且可以和目前的窄带通信系统同时工作而互不干扰。这在频率资源日益紧张的今天，开辟了一种新的时域无线电资源。

（4）消耗电能小

通常情况下，无线通信系统在通信时需要连续发射载波，因此要消耗一定电能。而UWB不使用载波，只是发出瞬间脉冲电波，也就是直接按0和1发送出去，并且在需要时才发送脉冲电波，所以消耗电能小。

（5）定位精度高

冲激脉冲具有很高的定位精确，采用超宽带无线电通信，很容易将定位与通信合一，而常规无线电难以做到这一点。超宽带无线电具有极强的穿透能力，可在室内和地下进行精确定位，其定位精度可达厘米级。

2.8 2G[GSM]

GSM（Global System for Mobile Communications），中文为全球移动通讯系统，俗称"全球通"，是一种起源于欧洲的移动通信技术标准，是第二代移动通信技术，其开发目的是让全球各地可以共同使用一个移动电话网络标准，是世界上第一个对数字调制、网络层结构和业务作了规定的蜂窝系统的网络。

2.9 3G

所谓第三代移动通信技术，即3G网络技术，与第一代移动通信技术（即 1G）与第二代数字手机通信技术（即 2G）相比，3G 手机主要是将无线通信和国际互联网等通信技术全面结合，以此形成一种全新的移动通信系统。这种移动技术可以处理图像、音乐等媒体形式，除此之外，也包含了电话会议等一些商务功能。为了支持以上所述功能，无线网络可以对不同数据传输的速度进行充分的支持，即无论是在室外、内还是在行车的环境下，都可以提供最少为2Mbps、384kbps与144kbps的数据传输速度。

2.10 4G

4G通信技术是第四代的移动信息系统，是在3G技术上的一次更好的改良，其相较于3G通信技术来说一个更大的优势，是将WLAN技术和3G通信技术进行了很好的结合，使图像的传输速度更快，让传输图像的质量和图像看起来更加清晰。在智能通信设备中应用4G通信技术让用户的上网速度更加迅速，速度可以高达100M

2.11 5G

第五代移动通信技术（英语：5th generation mobile networks或5th generation wireless systems、5th-Generation，简称5G或5G技术）是最新一代蜂窝移动通信技术，也是即4G（LTE-A、WiMax）、3G（UMTS、LTE）和2G（GSM）系统之后的延伸。5G的性能目标是高数据速率、减少延迟、节省能源、降低成本、提高系统容量和大规模设备连接。Release-15中的5G规范的第一阶段是为了适应早期的商业部署。Release-16的第二阶段将于2020年4月完成，作为IMT-2020技术的候选提交给国际电信联盟（ITU） [1] 。ITU IMT-2020规范要求速度高达20 Gbit/s，可以实现宽信道带宽和大容量MIMO。

3、不同无线通信速率与距离对比

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