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一文盘点10大连接数百亿终端的无线网络技术

互联网行业发展到今天,人们生活的便利度已经被极大的提高。在家有Wi-Fi,出门有4G,定位有GPS等等,似乎网络已经成为继衣食住行之后的又一

作者: | 2019-01-02 22:48:54 | 来源:51cto

互联网行业发展到今天,人们生活的便利度已经被极大的提高。在家有Wi-Fi,出门有4G,定位有GPS等等,似乎网络已经成为继衣食住行之后的又一重要组成部分,覆盖生活的方方面面,但在万物互联时代,网络连接技术需要进一步迭代。

IOT

物联网架构一般被分为感知层、网络层、平台层和应用层,其中网络层处于物联网生态系统的枢纽位置,在物联网设备连接方面扮演着举足轻重的作用。物联网的最终目标仍然是服务于人,因此,具有更高便携性的无线网络连接技术得到了更广泛的关注。在互联网时代已经发展出一大批无线网络技术,面向万物互联,无线网络连接技术得到了更好的发展。

目前,无线网络连接技术按照传输距离远近可分为短距离无线连接技术和长距离无线连接技术。下面分别列举了各自的5种主要技术,包括蓝牙,Wi-Fi,NFC,ZigBee,UWB以及GPRS,5G,NB-IoT,LoRa,全球卫星导航系统等。

一、短距离无线连接

 短距离无线连接

1. 蓝牙

蓝牙( Bluetooth)是一种无线技术标准,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2.4—2.485 GHz的ISM波段的UHF无线电波)。蓝牙可连接多个设备,克服了数据同步的难题。从音频传输、图文传输、视频传输,再到以低功耗为主打的物联网传输,蓝牙应用的场景也越来越广。

前两代蓝牙技术都是技术的塑形阶段,将蓝牙技术发展成为一种可靠、安全、实用的传输通信技术。随着3G时代的到来,蓝牙技术也迈入高速率传输的第三代。第三代蓝牙技术传输速率高达24Mbps,核心是使用AMP技术,允许蓝牙协议栈针对任一任务动态地选择正确射频。仅仅一年之后,蓝牙就进入了4.0时代,第四代蓝牙技术是迄今为止第一个蓝牙综合协议规范,将蓝牙的传输距离提升至100米以上,响应速度更快,最短可在 3 毫秒内完成连接设置并开始传输数据,并在传输速率、隐私保护以及可拓展性方面进行了极大提升,极大提高了技术价值。

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2016年,伴随着物联网的风口,蓝牙技术更新至5.0。蓝牙 5.0 在低功耗模式下具备更快更远的传输能力,传输速率是上代技术的两倍(速度上限为2Mbps),有效传输距离是上代技术的四倍(理论上可达 300 米),数据包容量更是上代技术的八倍。同时,为了更好的服务物联网,蓝牙技术发展了一套Mesh网状网络,有别于传统的蓝牙连接的“一对一”配对,Mesh网络能够使设备实现“多对多”的关系。因此,Mesh网络可以分布在制造工厂、办公楼、购物中心、商业园区以及更广的场景中,为照明设备、工业自动化设备、安防摄像机、烟雾探测器和环境传感器提供更稳定的控制方案。

随着蓝牙5.0技术的出现和蓝牙Mesh技术的成熟,大大降低了设备之间长距离、多设备通讯的门槛,为未来的 IoT 带来了更大的想象空间。

2. Wi-Fi

Wi-Fi技术已经越来越成为目前生活中的标配,不只是手机、电脑等,越来越多的物联网设备也支持Wi-Fi。我们目前所使用的Wi-Fi标准是最早于1997年发布的802.11b演变而来,802.11b的速率仅为2Mbps,1999年提出的802.11g将速率提升至11Mbps。目前最新的802.11ax理论最大速率10Gbps左右。

Wi-Fi有两种组网结构:一对多(Infrastructure模式),和点对点(Ad-hoc模式,也叫IBSS模式)。最常用的Wi-Fi是一对多结构的,例如日常使用的无线路由器是路由器+AP(接入点),可接入多个设备。此外Wi-Fi还可实现点对点结构,比如两个笔记本可以用Wi-Fi直接连接起来不经过无线路由器。

传统的Wi-Fi使用2.4G频段,随着使用2.4Ghz频段的设备越来越多,相互之间干扰增强,因此第五代Wi-Fi技术研制了运行在5GHz以上的高频段。理论上5G频段相较2.4G速率更快,但两者各有优缺点,2.4G穿墙衰减更少,传播距离更远,但使用设备多,干扰大;5G网速更稳定,速率更高,但穿墙等衰减大,覆盖距离小。

标准WiFi(基于802.11a/b/g/n/ac)通常不是物联网的最佳技术,但由于Wi-Fi技术目前应用的广泛性,某些物联网应用可以利用已安装的标准WiFi,在室内或校园环境投入使用。基于802.11ah的WiFi HaLow是专为物联网而设计,但它需要独立(与标准WiFi相比)基础设施和专用客户端,复杂度相对较高。目前最新提出的802.11ax已经能够满足大多数物联设备的使用,但在以后的物联网中是否采用802.11ax,仍将取决于802.11ax客户端的成本以及客户端和AP进入市场的速度。

3. NFC

NFC,Near-field communication,中文常翻译为近场通信。NFC是一种短距高频的无线电技术,属于RFID技术的一种,工作频率在13.56MHz,有效工作距离在20cm以内。其传输速度有106Kb/s、212Kb/s或者424Kb/s三种。通过卡、读卡器以及点对点三种业务模式进行数据读取与交换。

NFC最早是于2002年提出,并广泛应用于公交卡、门禁卡等领域。一直默默无闻的NFC技术直到物联网时代的到来而重新焕发生机。

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NFC技术被广泛应用于支付场景

NFC技术存在很多优点,例如通信保密性好、无功耗、方案的成本较低等,尤其NFC能够通过简单的碰触瞬间完成连接。在整合至IoT设备中之后,可以通过物联网系统收集与用户有关的习惯和使用方式等数据,之后再提供给云端或大数据服务器作数据分析,提高用户生活素质。未来在智能家居、支付以及智慧城市等领域将得到更广泛的应用。但NFC的通信距离短,通信速率低等也是它的缺点,限制了NFC只适合特定的某些物联网应用。

4. ZigBee

ZigBee是一种可工作在2.4GHz(全球流行)、868MHz(欧洲流行)和915 MHz(美国流行)3个频段上的无线连接技术,分别具有最高250kbit/s、20kbit/s和40kbit/s的传输速率,它的传输距离在10—75m的范围内,但可以继续增加。

在组网性能上,ZigBee可以构造为星形网络或者点对点对等网络,在每一个ZigBee组成的无线网络中,连接地址码分为16b短地址或者64b长地址,可容纳的最大设备个数分别为216和264个,具有较大的网络容量。

在无线通信技术上,采用CSMA-CA方式,有效地避免了无线电载波之间的冲突,此外,为保证传输数据的可靠性,建立了完整的应答通信协议。

另外,ZigBee设备具有低功耗,数据传输速率低,兼容性高以及实现成本低等特点,现已发展至3.0版本,广泛应用于智能家居、智慧医疗、智能楼宇以及能源等领域。

5. 超宽带(UWB)

超宽带技术是近年来新兴的一项全新的、与传统通信技术有极大差异的通信无线新技术。它不需要使用传统通信体制中的载波,而是通过发送和接收具有纳秒或微秒级以下的极窄脉冲来传输数据,从而具有3.1~10.6GHz量级的带宽。通过在较宽的频谱上传送极低功率的信号,UWB能在10米左右的范围内实现数百Mbit/s至数Gbit/s的数据传输速率。

除了高传输速率外,UWB技术还有发射功率较低,穿透能力较强,抗干扰性能强等优点,在室内定位领域可得到了较为精确的结果,广泛应用于小范围、高分辨率、能够穿透墙壁、地面和身体的雷达和图像系统中。除此之外,这种新技术适用于对速率要求非常高(大于100 Mb/s)的LANs或PANs。

二、长距离无线连接

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1. GPRS

GPRS是通用分组无线电服务(General Packet Radio Service)的缩写,是终端和通信基站之间的一种远程通信技术。

GPRS可以说是GSM的延续,它以封包的方式来传输数据,不独占频道,因此可以较好利用GSM上空闲的频道资源。GPRS的传输速率可达到56~114Kbps。用户通过使用该项数据业务可以连接到电信运营商的通信基站,进而连接到互联网,获取互联网信息。

GPRS具有充分利用现有的网络、传输速率高、资费较合理、资源利用率高、始终在线等特点。目前广泛应用于环境监测、自动抄表、电力公司输电线路检测、车联网、工程建筑质量监理、智慧农业等几乎所有户外移动物联网应用场景。

2. 5G

近年来,5G的发展总是引人侧目,华为等公司在5G方面的发展也是日新月异,预计不久之后,5G将会遍布在我们生活的方方面面。在国际电联无线电通信组2015年对5G的定义中,更是将海量连接物联网业务mMTC写为未来5G三大类应用场景之一。

与4G相比,5G的提升是全方面的,5G具有更高带宽、更低时延、更海量的接入能力,可满足物联网领域诸多需求。5G的峰值理论传输速度可达每秒数10Gb,比4G快百倍,可强化物与物之间的链接,扩大移动网络在各垂直行业的物联网应用。

正如很多人所说,5G为物联网而来。5G网络的速度与接入能力更加强大,能够真正实现万物相连,不仅仅是智慧城市,在人工智能,自动驾驶,远程手术等各个方面都将因5G而更加智慧,万物互联也会因5G而普及。

3. NB-IoT

NB-IoT是指窄带物联网(Narrow Band-Internet of Things)技术,是一种聚焦于低功耗广覆盖(LPWAN)物联网(IoT)市场的新兴技术,在全球范围内取得了广泛应用。

NB-IoT构建于蜂窝网络,使用License频段,只消耗大约180KHz的带宽,可采取带内、保护带或独立载波等三种部署方式,降低了部署成本、实现平滑升级。

NB-IoT具有覆盖广、连接多、速率快、成本低、功耗低、架构优等特点。普遍来看,一个NB-IOT基站可以覆盖10km的范围,相较于GPRS基站提升了20dB的增益,能覆盖到地下车库、地下室、地下管道等信号难以到达的地方。

目前,NB-IoT已广泛应用于远程抄表、资产跟踪、智能停车、智慧农业等领域,越来越受到市场的关注,但是,NB-IoT仍然有许多不足。NB-IoT的部署频率必须是授权的,需由运营商花钱部署,另外,模块成本仍然较高,虽然近期模组价格已经压低至20元以下,但距离市场爆发式增长所需的低成本仍有一段路。

4. LoRa

LoRa是指远距离无线电(Long Range Radio)技术。在相同功耗条件下,LoRa是传统的无线射频通信距离的3-5倍,实现了低功耗和远距离的统一。

LoRa主要在全球免费频段运行(即非授权频段),包括433、868、915 MHz等。具有低功耗、高敏感度、容量大等优点。相较NB-IoT,LoRa的综合成本(网关、模组、运营成本等)并不算高,并且LoRa灵活的特性可以更方便地让企业能够基于LoRa连接技术做系统集成,为用户提供完整的解决方案,这不仅更符合用户需求,对于LoRa企业而言,也能带来更多的商业附加价值。

不仅在表计领域,LoRa在非表计领域的应用也得到了突破性的发展,包括智能楼宇、智慧城市、路灯、农业等都有很多成功应用的案例。当前,LoRa在国内每年部署的节点已超过1000万个,在北京、深圳、广州、杭州等城市均有城市级的LoRa网络覆盖。

5. 全球卫星导航系统

全球有四大卫星导航系统:中国北斗导航系统、美国GPS、俄罗斯GLONASS系统和欧盟的伽利略卫星导航系统。其中,最早投入使用的、商业化最成功的是美国GPS,我国北斗系统经过多年不懈发展,也已经达到先进水平。以北斗为例,随着北斗卫星的组网完成、地面北斗网络的建设,北斗导航系统可以将定位精度提高到厘米甚至毫米级。

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北斗系统具有时延低、功耗低、成本低、覆盖广等特点,在万物互联时代具有重要意义,目前已经广泛应用于安防、智慧城市、智能停车、智能家居、物流运输、政府执法、港口指挥调度、铁路智能巡检,智能表计等领域。