物联网接入技术介绍

现实中，有很多种通信技术可以满足各种不同的通信需求，但是还没有哪一种通信技术可以满足所有的通信需求。有线连接稳定可靠，无线连接自由灵活。如果考虑成本、功耗、效率等因素的话，把数据传输到更远的距离以及传输更多的数据常常意味着更高的能耗和更高的成本。
物联网的世界不可能仅有一个标淮，短距离与长距离多种通信技术共存是最合理和最能解决问题的手段。
物联网应用需要考虑许多因素，如节点成本、网络成本、电池寿命、数据传输速率、延迟、移动性、网络覆盖范围和部署类型等。物联网接入技术种类繁多，目前已经大规模使用和未来有较大潜力的接入技术大致可归为四大类，分别是广域网通信技术、低功耗广域网通信技术、短距离无线通信技术、有线通信技术，如下表

1、 广域网通讯技术

1.1 第一代蜂窝移动通讯系统

第一代蜂窝移动通信系统采用 FDMA ( frequency division multiple access,频分多址），只能提供模拟语音业务，俗称“大哥大”，曾经是移动办公的主力军，目前偶尔可以在影视剧中见到。

1.2 2G通讯

第二代蜂窝移动通信系统有 GSM 和 CDMA ( code division multiple access,码分多址）两种通信方式。2G 的主要业务是语音通话，其特性是提供数宇化的语音业务和低速数据业务。它克服了模拟移动通信系统的弱点，话音质量、保密性能得到了很大的提高，并可进行省内、省际自动漫游。

GSM 经过演进之后可以支持 GPRS 数据传输。GPRS 是终端和通信基站之间的一种远程通信技术，是GSM 的延续，又称为 2.5G。 GPRS 以数据包的形式
进行传输，传输速率达到 56~114Kb/s。

GPRS 以封包方式进行数据传输，不独占频道，可以较好地利用 GSM 上空闲的频道资源。GPRS 终端在通信时需要使用运营商的基础设施，可以在信号覆盖范围内任意通信。随着业务量的逐步增加，由于GSM 采用不同的制式，移动通信标准不统一，用户只能在同一制式覆盖的范围内进行漫游，无法进行全球漫游。由于 GPRS 带宽有限，限制了数据业务的应用，也无法实现高速率的业务，因此才有了后续更高带宽的网络建设。

1.3 3G通讯

第三代蜂窝移动通信系统是 UTS ( universal mobile telecommunicationssystem，通用移动通信系统)，包括 WCDMA ( wideband code division multipleaccess， 宽带码分多址)CDMA2000、TD-CDMA，主要特征是可提供移动宽带多媒体业务。
中国国内支持国际电联制定的三个无线接口标准，分别是中国电信CDMA2000、中国联通的WCDMA、中国移动的 TD-SCDMA。

1.4 4G通讯

LTE ( long term evolution， 长期演进）是第四代蜂窝移动通信系统的简称，也称 4G。 LTE 有两种技术，分别是 FDD ( frequency division duplexing，频分双工）和TDD （time division duplexing， 时分双工）。PDD系统空口上下行采用成对的频段分别用来接收和发送数据，而TDD 系统上下行则使用相同的频段在不同的时隙上收发数据。

因此，LTE 系统有两种制式，分别是 FDD-LTE 和TDD-LTE，二者技术的主要区别在于空中接口的物理层（如帧结构、时分设计、同步等）。FDD-LTE 系统空口上下行传输采用一对对称的频段接收和发送数据，而 TDD-LTE 系统上下
行则使用相同的频段在不同的时隙上传输，相对于FDD 双工方式，TDD有着较高的频谱利用率。

LTE 系统引入了 OFDM ( orthogonal freauency division multiplexing，正交频
分复用）和MIMO (multi-input multi-output，多输入多输出）等关键传输技术，显著增加了频谱效率和数据传输速率（20M 带宽 2x2MIMO 在64QAM 情况下，理论下行最大传输速率为 201Mb/s，除去信令开销后大概为 140Mb/s，但根据实际组网以及终端能力限制，一般认为下行峰值速率为 100Mb/s，上行为50Mb/s），并支持多种带宽分配，如1.4MFz、3MFIZ、SMHZ、10MHz、15MHz和20MHz等，且文持全球主流2G/3G 频段和一些新增频段，因而频谱分配更加灵活，系统容量和覆盖率也显著提升。

1.5 5G通讯

3GPP 作为国际移动通信行业的主要标准组织，承担 5G 国际标准技术内容的制定工作。5G 从移动互联网和物联网的主要应用场景、业务需求和各种挑战
出发，3GPP 定义了了种重要的 5G 部署场景：

• eMBB (enhance mobile broadband，增强宽带移动通信)。
• mMTC (massive machine type communication，巨量机器类型通信）。
• uRLIC (ultra reliable & low latency cormunication，超可靠及低时延通信)。

5G 在提升技术指标的同时，切实考虑了场景化诉求带来的创新，自动驾驶、智能制造、远程医疗是大家期盼的场景，超高清视频直播、 VR/AR ( virtualreality/augmented reality，虛拟现实/增强现实）、全息成像等也许能渗透到我们的工作生活之中。同时，政府职能部门的管理结构有可能发生变化，定制化产品需求将改变工业生产模式，职业教育的方式将提高社会的生产效率。5G 将实现随时随地的人与人、人与世界的连接，形成万物互联的有机整体，极大地改善人们的生活质量，提高社会的运作效率。

2、低功耗广域网通信技术（LPWAN）

LPWAN 技术分为两大阵营：一类是工作在授权频谱的技术，包括 3GPP 组织定义的 NB-IOT、eMTC 等;另一类是工作在非授权频谱的技术，包括LoRa、Sigfox等。

LPWAN 与传统的物联网技术相此有着明显的优势。在连接距离上，LPWAN 比 ZigBee 的连接距离要远。在能源功耗上，相比于蜂窝技术 (GPRS/3G/4G)更低。其特点还包括数据速率低、占用带宽小、传输的数据量少、通信频次低、网络信号穿透力强等，更适合于大规模的物联网应用的部署。

2.1 NB-IoT 技术

根据物联网垂直应用领域的发展需求，全球各大电信运营商倾向于支持3GPP 提出的 NB-IoT 技术，由于其使用授权频谱，并且可以在现有的蜂窝网络上快速部署 NB-IoT，对运营商而言可以节省部署成本和快速整合现有的 LTE 网
络，是全球大多数电信运营商的中意之选，具有广阔的商业价值。

在核心网侧，蜂窝物联网是指3GPP 定义的物联网标准。根据3GPP 对物联网业务模型的研究，CIoT 业务模型和传统 LTE 系统业务差别很大，为了更好地支持蜂窝物联网业务，系统架构也做了增强和改进。NB-IoT 是蜂窝物联网的研究重点之一，并于 2016年6月正式成为 3GPP 国际标准。

NB-IoT 的典型特征为广覆盖、低功耗、低成本和大连接。NB-IoT 基站可在 LTE 基站的基础之上进行部署，未来将逐步演进到 5G 物联网（mMTC 巨量机器类型通信）。由于 NB-IoT 是国际标准，全球各地的 NB-IoT 网络建设，除了频谱不一样之外，其他的体系架构和协议完全一致。这不仅可以保护运营商投资的延续性，也可以促进芯片、通信模组、智能终端的产业链规模化，从而降低物联网部署的建设成本和维护成本。

2.2 eMTC 技术

LTE-M （ LTE-machine-to-machine，LTE 机器到机器）是基于 LTE 演进的物联网技术，在ReL-13中被称为 LTE enhanced MTC：即 eMTC技术，旨在基手现有的LTE载波满足物联网设备需求。eMTC 技术通过对 LTE 协议进行裁剪和优化以适应中低速物联网业务的需求，传输带宽是 1.4MHz。 为了平滑地过渡到 5G 网络兼容的 5G 物联时代，承载速率较高的一些蜂窝物联应
用将转向使用 eMTC。

由于 eMTC 的基础设施是现成的，大部分 LTE 基站可以升级为支特eMTC，因此对于远营商部署来说是没有障碍的，关键问题是如何降低芯片成本、智能终端的研发成本和产业链使用成本。

相对 NB-IoT 而言，eMTC 只需 LTE 基站的软件升级即可完成商用部署。
虽然，NB-IoT 在网络侧可实现大部分的复用，包括天线、RRU ( remote radiounit，远端射频单元人 BBU （building baseband unit， 基带处理单元）等，但商用准备的工作量还是大于 eMTC。

虽然在 3GPP 组织的设想中，CMTC 和 NB-IoT 可以相互补充，但是二者之间的界限并不十分清晰，NB-IoT 用户终端成本、功耗更低，而 eMTC 在移动性、语音、数据速率等方面具有一定优势。随着后续版本的演进，两项技术在
LPWAN 领域将会互相融合、互相补充，以提升用户体验。

2.3 LoRa 技术

LoRa (long rangse radio,远距离无线电）是 Serntech 公司的一种物理层技术，基于非授权频谱，采用 FEC ( forward error correction，前向纠错）的调频解调扩频技术。LoRa典型工作频率在美国为915MHz，在欧洲为 863MHz，在亚洲为433MHz。

Semtech控制着 LoRa 最主要的知识产权，芯片几乎是垄断供应，并成立了
LoRa 联盟。LORaWAN 是基于 LoRa 物理层协议而设计的 MAC ( media accesscontrol，介质访问控制）层协议。LoRa终端若想工作，必须要额外实现 LORaWAN 定义的 MAC 层协议。

LoRa 采用异步通信协议，在处理干扰、网络重叠、可伸缩性等方面具有自己的特性，但却不能提供像蜂窝网络一样的 QoS。

任何人都可以购买LoRa网关，并且自主组网，很多公司称之为私有网络。
相对于全国性的部署，LoRa 更适合区域性的部署。在企业部署时，较大的难题是LoRa基站的选址，需要现场有电源供电。在网络部署边界区域，也许只有少量的用户终端，但为了实现全部覆盖，必须增加基站部署，这些都会导致网络建设成本增加、施工困难、维护不易等问题。

3、短距离无线通信技术

短距离无线通信技术有很多，常用的包括 Wi-Fi、蓝牙（Bluetooth）
zigBee、 Sub-GHz 等，还有一些小众市场的应用，包括z-Wave、RPMA 等。

3.1 Wi-Fi 技术

Wi-Fi 是一种短距离无线传输技术，又称 WLAN ( wireless 1ocal areanetworks，无线局域网络），无线覆盖范围半径可达 100m。 Wi-Fi 先后经历了IEEE802.11（ 第一代 ）、IEEE802.11a/6（ 第二代 ）、IEEE802.11g（ 第三代 ）
IEEE802.11n（第四代） IEEE802.11ac（第五代）、IEEE802.11ax ( 第六代)。

wi-Fi版本发展路径如表：

3.2 Bluetooth 技术

Bluetooth 是一种短距离无线通信技术标准，可实现短距离范围内电子设备之间的数据交換，广泛应用于智能手机、车载蓝牙、蓝牙耳机、平板电脑、鼠标键盘、可穿戴设备、智能手表、体重秤、血压计、血糖仪、游戏机等。

蓝牙支特点对点及点对多点通信，工作频段为 2.4GHz ISM，使用 IEEE802.15 协议，通信距离在 10m 左右。蓝牙的特点包括低功耗、体积小、成本低、覆盖范围广等。

蓝牙版本发展路径如表下所示：

3.3 ZigBee 技术

ZigBee 基于 IEEE802.15.4 无线标准研制开发，是一种短距离、低速率、低功耗、双向通信、可自组织的无线通信技术，主要应用在工业、农业、医学、智能家居等领域。

ZigBee 协议可工作在2.4GHz（全球适用）、868MHz（欧洲适用）和 915MHz（美国适用）3个频段上，对应的最高数据传输速率分别是 250Kb/s (2.4GHz)、20Kb/s（868MHz）和 40Kb/s (915MHz)。

ZigBee 采用 DSSS ( direct sequence sprcad spectrum，直接序列扩频）工作方式。在不使用功率放大器的前提下，有效传输范围一般为10~75m。 在2.4GHz频段工作时，链路上的数据传输速率为250K6/s，除掉帧头开销、信道竞争、应答和重传，真正能被应用所利用的速率不足 100Kb/s。

ZigBee 的核心技术之一是动态组网和动态路由。网络中的每个节点相隔一定时间，需要通过无线信号交流的方式重新组网，并在每一次将信息从一个节点发送到另一个节点时，需要扫描各种可能的路径，从最短的路径尝试起，这需要占用大量的带宽资源，并增加数据传输的时延。但随着网络节点数目的增加和中转次数增多，实际可用速率将大大降低，同时数据传输时延也将大大增加，无线网络管理也就变得越麻烦。

在实际网络部署过程中，很多网络节点和数据传输途径是固定不变的，在电池供电的环境中，动态组网和动态路由反而是不可取的部署方式。

3.4 Sub-GHz 技术

Sub-GHz 指通信频率在 1GHz 以下（27~960MHz，俗称“小无线”），数据传输率在每秒几千比特到几百千比特范围内的无线通信技术。由于其通信波长较长，可以达到几百米甚至几千米的通信距离，在工业监控、遥控玩具、智能抄表等领域有着广泛的应用。

无线传播与频率成反比，在低功耗、长距离通信或穿墙能力上，Sub-GHz射频更有优势。对于许多应用，433MHz 成为 2.4GHz 的全球替代品（但日本不允许其用于无线应用）。基于 868MHz 和 915MHz 的设计可用于美国和欧洲市场。有许多可用的无需授权或需要授权的频段，对于系统集成商来说，既可选择在某些特定区域进行性能优化，也可配合公共事业公司在广阔区域设计系统。

长距离是 Sub-GHz 相比其他无线连接技术最为突出的长处。Sub-GHz 技术能够在一半的频率下提供两倍的覆盖范围，因为频率越低覆盖范围越广。与此同时，由于衰减与波长是成正比的，所以像 Sub-GHz 这样使用较低频率的技术就能够比高频率技术传输得更远。Sub-GHz 技术能够提供房屋整体和周边区域覆盖的解決方案，这是因为穿墙性会随着频率的增加而衰减，所以相对于2.4GHz， Sub-GHz 具有更强的墙体穿透能力。此外，较低频率在房屋角落中的性能更佳，从而提供了更好的室内覆盖能力。

相较于蓝牙、ZigBee 和 wi-Fi 等技术，Sub-GHz 频段技术具有超低功耗的特性。在Sub-GHz技术中，可以利用更小的传输功率来实现与 2.4GHz频段技术一样的传输范围，因此适合用于电池供电的场景。

Sub-GHz 技术通常采用数据透明传输协议，网络安全可靠性较差；采用调
幅技术和单频点工作，不能有效抵抗因遮挡而产生的多径效应，造成通信不可靠，系统不稳定；由于是免费频谱，非常拥挤，环境干扰特别大，对讲机、车载通信设备、业余通信设备等都集中在这里；频点飘移问题严重，不严密的试验发现不了，短期使用可能看不出，长期使用必然显现。

4、其他物联网接入技术

物联网接人技术种类众多，下面仅对卫星通信、量子通信、光纤通信、电力线载波通信、以太网通信、串口通信做一些简单的介绍。

4.1 卫星通信

卫星通信是指利用人造地球卫星作为中继站，转发或反射无线电波，在两个或多个地球站之间进行的通信。根据卫星运行轨道的高度不同，可将人造地球卫星分为三种类型。

• ①低轨道卫星(low carth orbit, LEO） 高度范围 500~1500km，相应轨道周期约为 1.5~2h；用户间单跳通信的信号传播延迟一般小于 20ms；必须解决快速移动带来的多普勒效应；最大卫星可视时间 20min；信号传播距离短，链路损耗少，对用户终端的发射功率要求不高。
• ② 中轨道卫星(mediurn earth orbit， MEO） 轨道高度为 8000~18000km，轨道周期为 5~10h；用户间单跳通信的信号传播延迟一般小于 50ms；最大卫星可视时间一般为几小时。
• ③ 地球同步轨道卫星(geostationary earth orbit, GEO） 轨道高度约为36000km，国绕地球旋转周期为24；用户问单跳通信的信号传播延迟一般为 250ms。

4.2 量子通信

量子通信(quantum communication）是指利用量子效应加密并进行信息传输的一种通信方式，具有不可分割性和不可复制性的特点。

量子是构成物质的最基本单元，是能量、动量等物理量的最小单位。例如，电子、光子等构成物质的基本粒子，统称为量子。

量子纠缠是两个量子形成的叠加态。一对具有量子纠缠态的粒子，即使相隔极远，当其中一个状态改变时，另一个状态也会即刻发生相应改变。量子纠缠被爱因斯坦称为“鬼魅般的超距相互作用”。

量子通信主要有两种方式，一种是利用量子的不可复制性质生成量子密码，它是二进制形式，可以给经典的二进制信息进行加密，这种通信方式称为“量子密钥分发”。另一种是利用量子纠缠来传输量子信息的最基本单位一—量子比特。两个处于纠缠态的粒子 A 和B，不论它们分开多远，我们把其中一个粒子（A）和携带想要传输的量子比特的粒子（C）一起测量一下，C的量子比特马上消失，但是 B就马上携带上C之前携带的量子比特，我们把这个过程叫作“量子隐形传态”。

4.3 光纤通信

OFC( optical fiber communications，光纤通信)是利用光波作为载波，以光纤作为传输媒质将信息从一处传至另一处的通信方式。如今，光纤以其传输频带宽、抗干扰性高和信号衰减小而远优于电缆、微波通信的传输，已成为世界通信中的主要传输方式。

光纤通信系统整体由数量众多的光纤组成，其主要制作材料为玻璃，本身属电气绝缘体，无需考虑接地回路问题。自光纤通信技术研发开始，该技术凭借良好的性能而发展迅猛，尤其在现今信息大爆炸时代，光纤通信技术的应用为通信行业的发展乃至整个社会的变革做出了巨大的贡献。

4.4 电力线载波通信

PLC ( power line carrier，电力线载波）通信是指利用现有的电力线，通过载波方式将模拟或数字信号进行高速传输的技术。最大的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。
目前，PLC主要用于电表远程抄表、路灯远程监控、工业智能化设备方面。
当电力线空载时，点对点载波信号可传输到儿公里;但当电力线上负荷很重时，只能传输几十米。

4.5 以太网通信

以太网（Ethernet）是一种局域网通信技术，传输速率可分为 10Mb/s以太网、100Mb/s以大网、1000Mb/s 以杰网，每种以太网又根据不同的物理介质有多种物理子标淮，形成了一个 IEEE 802.3 标淮系列。以大网使用双绞线作为传输媒介，在没有中继的情况下，最远传输距离可达 100m。以太网组网非常灵活和简便，可组成总线型结构、环形结构、星形结构等不同的拓扑结构。

4.6 串口通信

串口（serial port ）是一种通用的用于设备之问通信的接口，广泛用于设备以及仪器仪表之问的通信。常见的串口有RS-232（使用25 针或9针连接器）和工业计算机应用的半双工 RS-485 与全双工 RS-422。RS-232 串口通信使用了根线分别完成地线、发送和接收。串口通信可以在使用发送线发送数据的同时用接收线接收数据，它很简单并且能够实现较远距离的通信，其通信长度可达 1200m。