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解读物联网系列之无线传输技术

2017/4/28    来源:e-works    作者:e-works  熊东旭      
关键字:物联网  无线传输技术  
不管是传感器技术还是RIFD等技术,都需要将采集到的数据及时的传输出去,这就要求所有传感器必须与“网”互联,这其中发挥关键作用的就是无线传输技术。

    前面文章介绍了传感器和RIFD在不同应用场景中的功能特点,了解到传感器主要用在对设备运行状态的监控;RIFD主要用于对物体信息的识别。但不管是哪种技术,都需要将采集到的数据及时的传输出去,这就要求所有传感器必须与“网”互联,这其中发挥关键作用的就是无线传输技术。

    在日常使用的电子产品中,至少都具备几种网络接入能力。比如,智能手机的网络接入方式可以是WiFi,可以是2G、3G、4G网络,也可以通过蓝牙、热点共享的方式接入。这样,智能手机就可以在不同的环境中选择最划算的接入方法。在固定场所就用WiFi,在空旷区就选择4G,如果要用无线耳机听歌,就选择蓝牙与手机连接。当然,除这些提到的无线接入技术之外,还有很多接入方式。特别是随着万物互联时代的到来,物与物之间的连接方式也在不断发展和更新。

    但总体来说,物联网所有的支持的接入方式都要求能耗低、速度快,传输距离远,并且购买和使用成本低。

  接入技术 近距离无线传输技术 远距离无线传输技术 速率 功耗 频段授权
高速率 3G:HSPA//CDMA1X /TDS   o 2.8~14.4Mbps 授权
4G:LTE/LTE-A/LTE-M   o 100Mbps 授权
WiFi o   11~54Mbps 较高 非授权
UWB o   53~480Mbps 较高 非授权
中速率 MTC/eMTC o   1Mbps 较高 非授权
蓝牙 o   1Mbps 较高 非授权
低速率 2G:GPRS/GSM   o 236Kbps 较高 授权
NB-IoT   o 100Kbps 授权
SigFox   o 0.1Kbps 非授权
LoRa   o 0.3~50Kbps 非授权
ZigBee o   20~250Kbps 非授权
NFC o   106~868Kbps 非授权

       上表以速率、距离两个维度来分析目前主流的无线接入技术。纵向是速率,横向是接入状态,包括距离、速率、功耗以及是否处于授权频段。

    1、远距离无线传输技术和近距离传输技术的应用场景

    远距离无线传输技术包括2G、3G、4G、NB-IoT、Sigfox、LoRa;近距离无线传输技术包括WIFI、蓝牙、UWB、MTC、ZigBee、NFC。远距离无线传输技术的信号覆盖范围一般在几公里到几十公里;近距离无线传输技术的信号覆盖范围则一般在几十厘米到几百米之间。

    近距离无线传输技术主要应用在局域网,比如家庭网络、工厂车间联网、企业办公联网;远距离无线传输技术主要应用在远程数据的传输,如智能电表、智能物流、远程设备数据采集等。

    在物联网领域,大多数传感器都是嵌入在芯片中,网络传输模块的能耗低,且功率小,主要以近距离无线连接为主。特别在工厂内部,无数的生产设备、物料和智能终端都需要利用Wifi、蓝牙、Zigbee这些近距离无线技术实现互联。但在有些业务中,近距离无线传输无法满足需求。比如,企业需要对客户产品的使用状态进行监控并实时的传回数据。在重工企业,对远程设备使用状态的监控十分重要。因此,需要利用远距离无线传输技术实现数据的回传。这个时候企业可以选择3G、4G这样的蜂窝通信技术,也可以选择LoRa、Sigfox、NB-IoT这样的低功耗广域网传输技术。

    2、为什么要发展低功耗广域物联网(LPWAN)技术?

    物联网是随着终端的移动化和智能化发展起来的一个新兴技术。物联网的出现是互联网在工业应用上的延伸。传统的互联网是构建在IP/TCP协议之上,但物联网不只是要实现物体与互联网的连接,而是要实现万物互联。这就要求物联网必须兼容包括TCP/IP在内的所有网络协议。

    另一方面,传统的广域网传输技术,如3G/4G蜂窝通信技术,主要面对的都是移动智能终端的无线接入,功耗和成本都较高。因此,很难满足低功耗物联设备的接入需求。比如,在工业环境中芯片都是嵌入式的,且功耗较低,而且由于接入的设备数量较多,企业很难承较高的接入成本。这种情况下,发展低功耗广域网络就变得十分重要。

    低功耗广域网络(LPWAN)具有功耗低、覆盖范围广、穿透性强的特点,适用于每隔几分钟发送和接收少量数据的应用情况,比如车辆跟踪定位、智能电表和水表、水运定位、路灯监测、停车位监测等。LPWAN在复杂的城市环境中传输距离可以达到5公里,空旷地区可以达到40公里。在成本方面,支持窄带数据传输,网络通信成本极低。由于较低的数据传输速率,LPWAN设备功耗低,电池供电可支撑10年以上。目前,主流的LPWAN技术包括LoRa、Sigfox、NB-IoT等。

    3、授权频谱和非授权频谱有什么区别?

    简单来说,“频谱”是移动宽带网络的“生命线”。就像船和水的关系一样,没有水,船就移动不了。对于无线信号而言,频谱就是信号的载体,信号的传输需要频谱。非授权频谱和授权频谱在技术和功能实现上并不存在任何区别。只是说,授权频谱是已经分配给某一企业或机构专门使用的频段,不对外开放。非授权频谱大多是可公开使用的频段,比如WiFi使用的就是非授权频段。与此不同,WCDMA使用的就是授权频段,其频段范围为:1940MHz-1955MHz(上行)、2130MHz -2145MHz(下行)。这就表示,在这个上下行频段范围内的频谱不允许其他制式的信号使用。包括2G\3G\4G这些蜂窝通信技术使用的都是授权频谱。

    当前,随着物联网应用的深入,各种低功耗嵌入式设备的联网,无论是基于成本、能耗,还是兼容性,这些远程通信技术都无法很好的满足物联网的应用需求。为应对这一需求,行业厂商及相关架构也推出了一些低功耗、远距离的无线传输标方案,其中以LoRa、Sigfox、NB-IoT三种标准应用最为广泛,这些低功耗广域网传输技术被统称为LPWAN,使用的是非授权频段。

    4、不同层次物联网应用的无线传输需求

    第一,高功耗、高速率的广域网传输技术,如2G、3G、4G蜂窝通信技术,这类传输技术适合于GPS导航与定位、视频监控等实时性要求较高的大流量传输应用。

    第二,低功耗、低速率的广域网传输技术,如Lora、Sigfox、NB-IoT等,这类传输技术适合于远程设备运行状态的数据传输、工业智能设备及终端的数据传输等。

    第三、高功耗、高速率的近距离传输技术,如WIFI、蓝牙,这类传输技术适合于智能家居、可穿戴设备以及M2M之间的连接及数据传输。

    第四,低功耗、低速率的近距离传输技术,如ZigBee。这类传输技术适合局域网设备的灵活组网应用,如热点共享等。

    5、无线传输技术与物联网

    如果说,传感器是物联网的触觉,那么,无线传输就是物联网的神经系统,将遍布物联网的传感器连接起来。在物联网出现以前,网络的接入需求主要体现在PC、移动终端对互联网的接入需求。如今,随着物联网的发展,无线接入不仅仅体现在PC、移动终端对网络的连接需求,还有工业生产环境下物与物之间的连接需求。

    从互联网到物联网,接入的终端(物)在发生改变,使得无线传输技术也在发生改变。目前,物联网无线传输技术的发展趋势是以低功耗广域网络为主。可以预计,在未来的几年时间,以Lora、Sigfox、NB-IoT为代表的低功耗广域网络传输技术将逐渐成为物联网传输层连接技术的主流。

责任编辑:刘春晓
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