物联网中无线通信技术应用分析

程家豪

摘 要：无线通信技术在整个物联网应用场景中起着关键作用。针对目前庞杂的无线通信技术做系统的分类、性能比对，同时结合物联网应用案例探讨如何根据不同场景选取对应的无线通信技术做支撑。通过对不同技术从范围、功耗、通信速率、网络容量等方面的比较及对未来无线通信技术的发展趋势的预测，给物联网应用部署时提供技术选取方案。

关键词：物联网;无线通信;网络容量;低功耗广域网;应用案例;通信速率

0 引 言

物联网的实践最早可追述到1990年Xerox公司的网络可乐贩卖机。这台可乐机1985年5月就已经联网了，用户可以向其发送邮件获取它的状态，这是最早的物联网雏形[1]。2005年，国际电信联盟进一步扩展了“物联网”的概念，在发布的《ITU互联网报告2005：物联网》中提出了任何时刻、任何地点、任意物体之间互联，无所不在的网络和无所不在的计算的发展愿景[2-3]。2008年，欧盟通过《The Internet of Things in 2020》报告对物联网定义进一步明确，认为物联网是由在智能空间中使用智慧接口与用户、社会和环境进行通信的具有标示、虚拟个性物体或对象所组成的网络。伴随着传感器技术、网络通信技术、芯片技术等的发展，物联网在近几年的发展势头更加迅猛，中国信息通信研究院发布的《物联网白皮书（2018）》中指出，全球物联网产业规模由2008年的500亿美元增长至2018年的近1 510亿美元[4]。物联网的发展和无线通技术发展密不可分。不同的物联网应用场景需要采用与之对应的通信技术，目前的物联网应用场景中如：农林牧渔业、智能制造、物流、智慧交通、智慧城市等多采用的是无线通信技术作为信息传播手段，无线通信技术的选取决定了整个物联网系统的性能。这些性能包括数据传输的速率、终端设备通信功耗、通信安全性、系统容量、部署范围等。

1 物联网中的无线通信技术

当前主流物联网网络架构由感知层、网络层和应用层组成，如图1所示。感知层实现对物理世界的感知识别、信息采集处理和自动控制，并通过通信模块将感知层设备连接到网络层和应用层。网络层主要实现信息的传递、路由和控制，网络层包括接入网、核心网及其他网络，可以依托电信网和互联网，也可依托其他专用通信网络。应用层包括应用支撑子层和应用服务子层。无线通信技术实现感知层和网络层的互通，可以通过无线通信使终端设备接入互联网，也可以构建专用网络。

物联网中的无线通信技术很多，主要可分为两大类：短距离通信技术和低功率广域网（Low-Power Wide-Area Network，LPWAN）。

短距离通信技术包括ZigBee，WiFi，Bluetooth，Z-Wave，NFC，UWB等;LPWAN主要有窄带物联网（Narrow-Band Internet of Things，NB-IoT），Weightless，远距离无线电（Long Rang Radio，LoRa），SigFox等。图2是按照通信距离对物联网无线通信技术的一个分类[5]。

1.1 短距离无线通信

ZigBee是基于IEEE 802.15.4标准的近距离无线组网通信技术，我国使用的是ISM频段，频率为2.4 GHz，带宽为5 Hz，共分配了27个信道，采用调频技术。ZigBee的特点如下：传输可靠性强;网络节点数量大，理论上可到65 000个;传输功耗低、成本低;传输安全性较高;网络自愈能力强。由于具备这些特点，ZigBee技术已被广泛的应用到各种实际场景中，比如智能家居系统、电器设备温度采集系统、水表抄表系统等[6]。

WiFi全称Wireless Fidelity，是一种商业认证，具有WiFi认证的产品符合IEEE 802.11a/b/n/g无线网络规范。目前家庭、办公、公共场所的无线网络环境离不开WiFi技术的支持。

Bluetooth又称蓝牙，由Ericsson，Nokia，Toshiba，IBM，Intel五家公司于1998年5月联合宣布的一种无线通信技术。

Z-Wave是由丹麦公司Zensys设计的无线组网规格，其是一种新兴的基于射频的、低成本、低功耗、高可靠的短距离无线通信技术，但缺乏国际标准为其依靠，主要应用于家庭自动化领域[7]。其功耗远低于WiFi跟蓝牙，在智能家居的应用领域占有一定优势。

近距离无线通信（Near Field Communication，NFC）技术是由非接触式射频识别（RFID）及互连互通技术整合演变而来。NFC使用电磁感应来传输信息，并向下兼容RFID，由于采用电感耦合技术，使得设备之间配对非常快，对于需要快速连接的场景非常适用。

超宽带（Ultra Wide Band，UWB）技术指的是一种基带传输或无载波通信技术，利用纳秒级的非正弦波窄脉冲传输数据，最初是美国军方用在军用雷达上的技术。2002年4月，美国联邦通信委员会（Federal Communications Commission，FCC）制定了超宽带无线设备规定，批准了UWB技术用于民用[8]。目前的超宽带已经不单单指代脉冲通信了，而是包含了所有采用超宽频谱的通信方式。另外，室内超宽带通信的目前占用的频谱为3.1～10.6 GHz。UWB技术以其功耗低、高速率、抗干扰能力强等特性在军事、医疗、多媒体等方面有广泛的应用。

下面对几种短距离无线通信技术从频段、传输距离、传输速率、安全性、应用场景等方面进行比较，如表1所示。

表1中的通信距离仅是单段传输距离的理论值，实际的传输距离还必须要根据发射功率的大小、中继节点的使用情况、是否有障碍物遮挡、同频干扰等因素而定。

1.2 低功耗广域网络

LPWAN是当今物联网接入网技术的主要热点之一，伴随着物联网及相关产业的发展，未来的物物互联是必然趋势。很多场景需要进行长距离通信，而LWPAN技术就是为解决长距离、低成本等问题而产生的，旨在实现物联网中分布广泛、數量极大的“物”之间的互联互通。本文主要介绍时下国内和国际上关注较多的技术如：LoRa，NB-IoT，SigFox，Weighteless。

LoRa是由美国Semtech公司于2013年8月发布的，刚发布就获得了业界的极大关注。目前全球已有超过500个成员加入了LoRa联盟，国内中兴、阿里、腾讯都在布局LoRa物联网生态。LoRa作为一种无线技术，基于Sub-GHz（即频率为1 GHz以下，27～960 MHz）的频段，采用了线性调频技术，使用较宽信号带宽进行无线信号传输，使得其具有较强的对抗衰弱和多普勒效应的能力。这使得LoRa技术具有传输距离远、功耗低的特点，能够满足物联网、智慧城市、智能家居、智能制造等领域的通信要求。

NB-IoT是由3GPP负责标准化，它基于现有的移动蜂窝网络，使用LTE的无线技术，使得运营商能够低成本高效地进行物联网市场布局[9-10]。NB-IoT标准化经过一系列的讨论和协商才形成了统一的国际标准，图4为NB-IoT演进过程。NB-IoT具备4大特点：广覆盖，具有164 dB最大耦合损耗，比GPRS高20 dB，覆盖面积大100倍;大连接，一个扇区支持10万个连接;低功耗，终端模块待机时间长达10年;模块成本低，目前NB-IoT模块价格已下降到20元左右。

SigFox成立于2009年，是一家法国公司，总部位于法国图鲁斯。由于其在欧洲的成功营销活动，SigFox在LPWAN领域具有显着的吸引力。它还拥有庞大的供应商生态系统，包括德州仪器，Silicon Labs和Axom。SigFox工作于非授权频谱，是一种采用超窄带（Utral Narrow Band，UNB）技术，使用较低的调制速率来实现更长的传输范围，主要应用于低功耗、低数据量的物联网或M2M连接方案，能够与WiFi、蓝牙相兼容。由于这种设计选择，SigFox是仅需要发送较小的，不频繁的数据突发的应用的绝佳选择，可用于包括停车传感器，水表或智能垃圾桶等情景[11，12]。

Weightless是一组物联网无线通信标准，由国际IoT/M2M标准组织WeightlessSIG（SpecialInterestGroup，特别兴趣组）主导和管理，标准免费供其他成员使用。WeightlessSIG是一个非盈利性的全球标准组织，成员有Accenture，ARM，M2COMM。Weightless既可以工作在Sub-1GHz免授权频段，也可工作在授权频段。Weightless是一组开放的标准，目前有Weightless-W，Weightless-N和Weightless-P三项标准。Weightless-W针对TV频段未使用的频谱，该频谱不具备普适性，阻碍了该技术的发展。因此WeightlessSIG又发布新的Weightless-N，使用了超窄带技术，提供数千米的通信范围。Weightless-P可提供双向通信，速率在100 Kb/s内时通信服务质量最佳。

LPWAN中的各种技术是为了满足大规模、广覆盖、低功耗、低时延等物联网场景而提出的。在进行通信技术选择的同时还需要考虑成本、复杂度、可扩展性、频段资源等因素[13]。表2为LPWAN中几种技术的比对，从中可以看出NB-IoT的传输速率最快[14]。

2 物联网应用场景中的无线通信技术

物联网的应用场景非常多，如：智能家居、可穿戴设备、车联网、农业、交通、物流、仓储、医疗、工业、电力传输等。不同的场景需要的无线通信技术是不同的，需要综合考虑通信距离、数据传输速率、功耗、安全性、时延、同频干扰等因素。下面以两个具体案例说明无线通信技术在物联网应用中起的作用。

2.1 智能抄表

在20世纪80年代中期远程抄表系统就出现了。相比于传统的人工抄表方式，远程抄表系统实现了自动读取表上数据，且方便统一管理。远程抄表系统由智能仪表、通信网络、后台服务器组成。图4是NB-IoT智能抄表系统架构图，通信网络部分负责将仪表的数据传输至服务器，此过程中可以采用GPRS/GSM技术，ZigBee，WiFi，Bluetooth，也有最近几年出现的NB-IoT，LoRa等技术[15]。

对于短距离通信技术ZigBee，WiFi，Bluetooth而言，通信距离限制了其应用场景;GPRS/GSM技术则面临着退网危机;目前的发展趋势是以NB-IoT为代表的LPWAN技术作为抄表系统的通信技术。NB-IoT可直接在运营商网络基础上部署，网络节点容量巨大，其低功耗、长距离、穿透能力强等特点，非常适合小区这样的高密集度抄表场景。

2.2 智慧农业

智慧农业，简单来说就是农业加物联网解决方案。通过借助各种传感器监测农业生产环境中的各项指标，使用终端监测设备将数据经过有线/无线通信方式将数据回传至服务器端，在管理终端显示数据信息，同时可以通过管理终端对各种传感器或设备进行指令控制，在管理和控制的决策中还需要用到云计算、大数据等现代信息技术。随着物联网的应用落地，传统农业在逐渐向智慧农业转型。在农业生产过程中实时监控农作物的生长状况和环境指标，对农业的发展有重大意义[16]。

以智慧大棚监控系统为例，可实现生产环境的自动监测、高清摄像头视频监控、大棚设备自动化控制以及智能大棚农业监测云平台功能。图5为智慧大棚监控系统物联网方案。

其中农业传感设备能够自动监测环境，利用传感器采集各种环境参数，然后基于LoRa传输协议将数据上传给LoRa网关，LoRa网关在通过IP协议将数据上传到云服务器，然后云平台根据数据发送相应指令给自动控制设备，实现实时温控、灌溉等功能。LoRa通信范围广，功耗低非常适合农业场景的需求。

3 结 语

随着物联网关键技术产业的升级，物联网的发展即将进入新的阶段，IPv6标准的规模部署使得每个物体都能分配到IP地址，不同无线通信技术得以在不同应用场景中发挥其作用，万物互联正在逐步成为现实。2019年，5G正式进入商用，高速率、低时延的特点非常适合车联网这个场景，工业控制、智慧交通、智慧农业等等领域都向着物联网方向靠拢，智能家居更是人们生活中就能体会到的变化。各种物联网场景需要与之匹配无线通信技术支持，需要綜合考虑距离、网络容量、时延、安全性、功耗、部署成本、部署时间、同频干扰等因素。同时，多种无线技术可以结合起来使用，以适用不同的场景需求。

参考文献

[1]魏旻，王平.物联网导论[M].北京：人民邮电出版社，2017.

[2]姚旭东. 国内外物联网技术发展的比较研究[D].成都：西南交通大学，2012.

[3]苏美文. 物联网产业发展的理论分析与对策研究[D].长春：吉林大学，2015.

[4]中国信息通信研究院.物联网白皮书（2018）[M]. 北京：中国信息通信研究院，2018.

[5]佚名.物联网中的无线通信技术主要有哪些[EB/OL]. [2019-05-27].http： //www.iotworld.com.cn/html/b21ff05446175f4f.shtml.

[6]陈焕，范铠，汪正祥.ZigBee与其他短距离无线通信技术比较及其应用[J].信息技术，2015（5）：180-183.

[7]丁飞，张西良.Z-Wave技术简析[J].现代电信科技，2005（11）：56-58.

[8]楚政，谢飞.超宽带无线通信技术的发展[J].电信科学，2007（11）：10-13.

[9]郑宁，杨曦，吴双力.低功耗广域网络技术综述[J].信息通信技术，2017，11（1）：47-54.

[10] WANG Y P E，LIN X Q，ADHIKARY A，et al. A primer on 3GPP narrowband Internet of Things [J]. IEEE communications magazine， 2017，55（3）：117-123.

[11]康凯斯.NB-IoT，LTE-M，LoRa，SigFox和其他物联网LPWAN技术[EB/OL].[2019-06-05]. http： //www.concox.net/about/industry/681.html.

[12] Sigfox.为解决物联网核心问题而生的LPWAN技术[EB/OL].[2019-05-27].http： //www.ccsa.org.cn/article_new/show_article.php？article_id=cyzx_3ed74ef0-8fc7-2cac-9f11-5ceb39f82cac.

[13] CHUNG Yeonjoon，AHN Jae Young，HUH Jae Du. Experiments of a LPWAN tracking（TR） platform based on sigfox test network [C]// 2018 International Conference on Information and Communication Technology Convergence. Jeju：ICTC，2018.

[14] ANDRES-MALDONADO Pilar，AMEIGEIRAS Pablo，PRADOS-GARZON Jonathan，et al. An analytical performance evaluation framework for NB-IoT [J]. IEEE internet of things journal，2019，6（4）：7232-7240.

[15]李忠偉. 基于物联网的远程低功耗水表抄表系统设计与实现[D].杭州：杭州电子科技大学，2019.

[16]张洲. 基于物联网的智慧农业系统设计及实现[D].成都：电子科技大学，2019.