物联网通信技术概述.ppt

物联网通信技术概述物联网通信技术概述前上海华东师范大学 通信工程系 电子信息实验教学中心(上海市示范试验中心)主任 马 潮 副教授 基本概念基本概念 一一短距离无线通信（节点）短距离无线通信（节点）三三长距离无线通信（接入层）长距离无线通信（接入层）四四有线通信有线通信 二二有线连接和无线连接有线连接和无线连接 连接方式可以分成有线连接和无线连接，我们这里讲的连接，其目的都是要进行通信，因此也就分别使用有线通信技术和无线通信技术。有线通信，是指利用金属导线、光纤等有形媒质传送信息的技术。有线通讯已经非常普及，在自己家里墙壁上找找，就不难找到电话口，网口，有线电视口。无线通信是利用电磁波信号在空间中直接传播而进行信息交换的通信技术，进行通信的两端之间无需有形的媒介连接。常见的无线通信方式有有蜂窝（手机）无线连接，wifi连接，还有一些倍感神秘的方式，如可见光通信和量子通信方式等等。有线连接的常用方式：UART、USB(uart)；网口短距离通信和长距离通信短距离通信和长距离通信 有很多的场合人和物只需要跟附近的通信终端通信，例如在家里，办公室，工厂等等。但是也存在长距离的应用场景，例如两个城市之间的网络要连接起来，在高速上的车辆或乘客，甚至是海洋上的渔船。通常我们把通信距离在100m以内的通信称之为短距离通信，而通信距离超过1000m的称之为长距离通信。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，如果还考虑成本，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。因而短距离通信和长距离通信在技术实现，功耗，成本等各个方面均不同，是将物连接进网络时候需要考虑的因素之一。通信技术和通信协议通信技术和通信协议 通信技术主要是强调信息从信源到目的地的传输过程所使用的技术，还有一个问题是各种通信技术之间如何能协同工作呢？为此，国际标准化组织提出了开放系统互连参考模型OSI，也就是网络分成了物理层、数据链路层、网络层、传输层、会话层、表示层和应用层。也就是这个伟大的标准最终形成了互联网，以及无所不连的物联网。在上述各层之间进行数据交换的规则和约定就是通信协议。遵守OSI标准的通信协议能够做到上层协议与下层协议的实现无关，因此能最大限度的复用下层协议。这里提到的通信技术在通信硬件上就有不同的特性，以支持有线/无线，长距/短剧，节能/高速等特性。但同时也使得其在物理层向上的若干层都需要使用自己的通信协议。所以通信技术的名称也往往是一些通信协议的名称，并且通信技术和通信协议的含义也广为混淆。有线通信有线通信串口通信技术串口通信技术 串口（Serial port）是一种非常通用的用于设备之间通信的接口，也广泛用于设备以及仪器仪表之间的通信。常见的串口有RS-232、uart（TTL电平）和工业电脑应用的半双工RS-485与全双工RS-422。串口通信使用串行方式进行通信，即串口按位（bit）发送和接收字节序列。简易串口通信使用3根线完成：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受线接收数据，它很简单并且能够实现较远距离的通信，其通信长度可达1200米（RS485、半双工）。优点优点：串口通信的最大有点就是普及率高，串口至今PC电脑还是标配（现在USB口模拟），通常为了方便连接打印机。大部分的工业设备都有串口，那些没有串口的设备，在其开发时，常见方法也是通过串口连接到进行开发的电脑上的，因此串口是设备进行通信的最简单最容易的方法。缺点缺点：串口通信的组网能力差，虽然通常情况比无线稳定，但串口的通信速度以太网比起来还是有很大差距，一般来讲，只适合低速率和小数据量的通信。有线通信有线通信Modbus 通常认为Modbus只是使用串行方式进行通信的应用层协议标准，它并不包含电气方面的规范。Modbus最初是Modicon于1979年为使用可编程逻辑控制器（PLC）通信而发表的，后来衍生出Modbus RTU，Modbus ASCII和Modbus TCP三种模式，前两种所用的物理接口是上面介绍的串口，后一种使用Ethernet接口。随着PLC在工业领域的广泛应用，Modbus也成为工业领域最受欢迎的通信协议，它采用主/从（Master/Slave）方式通信，即一对多的方式连接，一个主控制器最多可以支持247个从属控制器。优点：优点：Modbus的主要优点有：-标准化、开放，免费使用，无许可证费，无需知识产权授权。-支持多种电气接口，如串口和Ethernet接口等，支持多种传输介质，如双绞线、光纤、无线等。-Modbus协议的帧格式简单、紧凑，通俗易懂。易开发，易用。缺点：缺点：Modbus主要存在以下问题：-组网能力差，只有主从方式通信-网络规模有限，从属控制器数量限制了网络规模-安全性差，无认证、无权限管理，明文传输使得它在非受控环境下是非常有风险的以太网以太网 以太网（Ethernet）是一种局域网通信技术，IEEE组织的IEEE 802.3标准制定了以太网的技术标准，它规定了包括物理层的连线、电子信号和介质访问层协议的内容。以太网使用双绞线作为传输媒介，在没有中继的情况下，最远可以覆盖200米的范围。最普及的以太网类型数据传输速率为100Mb/s，更新的标准则支持1KMb/s和10KMb/s的速率。以太网技术的最大优点是它是目前应用最普遍的局域网技术，已经逐步取代了其他局域网标准如令牌环、FDDI和ARCNET等。现在我们熟悉的互联网就是指所有这些大大小小的局域网连接在一起以后，形成的覆盖全球的网络。物联网是连接的物超过人口以后的互联网，因而实际中，任何连接到物联网的物总是连接到一个以太网的终端上的。以太网主要涉及的组网低层技术和协议，中上层协议为TCP/IP有线通信有线通信 随着通信与物联网技术的不断发展，在各种产品应用越来越多的开始出现无线通信的元素。通过无线通信，设备不再只是独立工作，而是可以通过网络协同工作，增强设备的灵活性与功能。短距离无线通信是无线通讯中最常见的一种情况，一般指通讯范围不超过100m的无线通信。下面整理了目前在短距离无线通信中的常用方案，并将不同的方案进行了比较。短距离无线通信（节点）短距离无线通信（节点）短距离无线通信技术短距离无线通信技术方案通信速率通信距离网络拓扑功耗体积硬件成本 应用范围编解码芯片较低10m 100m点对点低较小较低节点设备交换数据数传芯片较高100m-1000m点对点，星型一般较小一般节点设备交换数据IrDA较高2m点对点低最小最低节点设备单向RFID较低1mm-5cm点对点较低较小较低节点设备交换数据蓝牙一般10m点对点较低较大较高节点设备交换数据Zigbee较低(*)10m以上星型，网型较低较大较高节点组网Wifi最高100m星型最高最大最高接入层无线编解码芯片无线编解码芯片无线编解码芯片无线编解码芯片 无线编码芯片将数据编码后进行无线传输，而无线解码器则接收无线数据、并进行一些容错处理。无线编解码芯片相当于只实现了无线网络的物理层，利用无线构件了一个数据的通路，一般提供若干个”通道”供使用者使用。一般常用于汽车无线遥控开关、门禁遥控开关玩具遥控器中，常见型号有PT2262/2272。无线数传芯片无线数传芯片 无线数传芯片无线数传芯片 无线数传芯片允许使用者通过芯片提供的接口进行数据的传输，常见的接口有SPI及串口。无线数传一般工作在315 MHz/433 MHz/868 MHz/915 MHz/2.4 GHz这些频段，这些频段是公开频段，不需要进行使用申请。无线数传有两种不同的传输方式：透明传输和非透明传输。透明传输是指数据所发即所得，不需要进行协议转换；而非透明传输是指用户需要操作一些寄存器，或是需要进行协议的转化与解析。典型的数传芯片有Si4432、nRF24L01、CC1100，红外线通讯红外线通讯IrDAIrDA IrDA使用红外线进行通讯，是一种低成本的通讯方案。该标准制定了一个半双工的通讯系统，通讯范围1m-10m左右，传输角度30到60度。因为使用红外线作为通讯媒介，IrDA的数据传输率最大可以达到4Mbps。IrDA较大的劣势就是其对传输路径的要求比较高（不能遮挡），抗干扰性差，传输距离、收发角度都有限制，减小了它的应用领域。常用于常规的家电控制中。RFID RFID(Radio Frequency Identification)技术，又称无线射频识别，是一种通信技术，俗称电子标签。可通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数据，而无需识别系统与特定目标之间建立机械或光学接触。射频的话，一般是微波，1-100GHz，适用于短距离识别通信。RFID读写器也分移动式的和固定式的，目前RFID技术应用很广，如:图书馆，门禁系统，食品安全溯源等。低频低频ID(125K)低频ID工作频率在125KHz，有效距离在20cm以内。目前有很多图书馆，门禁系统，食品安全溯源等还在使用。低频ID保密功能比较差，容易复制，已经逐步淘汰。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。蓝牙通讯蓝牙通讯蓝牙蓝牙蓝牙蓝牙(802.15.1)(802.15.1)(802.15.1)(802.15.1)蓝牙技术的创始人是爱立信公司，用于手机与外围设备的连接，如蓝牙耳机、蓝牙GPS等。蓝牙使用时分双工的模式来实现全双工通讯，遵循IEEE802.15.1协议。蓝牙具有通讯速率快、连接简单、全球通用、功耗低等特点，广泛用于手机、计算机、娱乐外围设备之中。蓝牙通常应用与点对点的通信，组网能力差。ZigBeeZigBee(802.15.4)随着物联网、车联网与智能家居概念的宣传，ZigBee开始进入我们设计人员的视线。ZigBee基于IEEE 802.15.4标准，由ZigBee联盟制定，具有自组网、低速率、低功耗的特点，尤其适合小型设备、节点之间组网的需要。ZigBee的第一个版本制定于2004年，经历了ZigBee2004、ZigBee2006、ZigBee2007及ZigBee Pro等版本。优点：优点：ZigBee以其低功耗、低成本，低速率、高容量、支持Mash网络、支持大量网络节点以及有较高安全等优点一度被认为的物联网最有前景的通信技术。缺点：缺点：如今，实际中ZigBee远没有像Wi-Fi或者蓝牙那样得到广泛的应用，这是由于它复杂，成本高，抗干扰性差，ZigBee协议没有开源，以及和IP协议不的对接比较复杂等等又限制了它在实际中的应用。WiFiWiFi(802.11)Wifi相信大家都非常熟悉了，Wifi被广泛应用于笔记本电脑、手机、平板电脑中，用于支持设备通过无线的方式连接互联网。Wifi的通信吞吐率很高，且与现存的网络设备具有良好的兼容性。Wi-Fi是一种无线局域网通信技术，全称Wireless-Fidelity，无线保真，IEEE组织的IEEE 802.11标准制定了以太网的技术标准。Wi-Fi终端指使用高频无线电信号发送和接收数据，使用以太网通信协议，通信距离通常在几十米。2016年WiFi联盟最新公布的802.11ah WiFi标准WiFi HaLow，使得WiFi可以被运用到更多地方如：小尺寸、电池供电的可穿戴设备同时也适用于工业设施内的部署，以及介于两者之间的应用。HaLow采用900MHz频段，低于当前WiFi的2.4GHz和5GHz频段。更低功耗，同时HaLow的覆盖范围可以达到1公里，信号更强，且不容易被干扰。这些特点使得WiFi更加顺应了物联网时代的发展。优点：优点：WiFi的优点是局域网部署无需使用电线，降低部署和扩充的成本。由于WiFi模块的价位持续下跌，使得它已成为企业和家庭的普遍的基础设施。另外，WiFi联盟指定了一套全球统一标准：不同于移动电话，任何WiFi标准设备将在世界上任何地方正确运行。缺点：缺点：WiFi的缺点是通信距离有限，稳定性差，功耗较大，组网能力差，其安全性也遭到不少人的批评。通常WiFi技术使用2.4GHz和5GHz周围频段，但在全球各地的频率分配和操作限制也不完全相同，造成一些混乱现象。WiFi长距离无线通信（接入层）长距离无线通信（接入层）物联网，万物互联。在这个时代下，越来越多的物体将被连接到互联网，并最终实现到主控端/云端的连接。这些连接，我们可采用多种通信链路予以实现。然而，设备本身一般通过无线方式连接到物联网系统。这种无线连接是系统中极为重要或最为薄弱的链路。因此，选择一种能够匹配设备及其周边环境的无线技术很重要。下面介绍最有可能为新设计采用的几种无线候选技术。设备通过无线方式链接到网关是一种典型的物联网连接场景(图)。网关是通过公用宽带电缆或DSL调制解调器连接互联网的接口，然后再通过互联网服务提供商连 接到互联网。在另外一种被称为机到机(M2M)的应用场景中，设备连接会经过一家蜂窝运营商，然后再到另一家运营商，或直接到互联网。长距离无线通信（接入层）长距离无线通信（接入层）节点节点网关网关节点节点 NB-IOTNB-IOTLoRaLoRaZigbeeZigbeeWiFiWiFi5G5G组网方式基于现有蜂窝组网基于基于LoRaLoRa网关网关基于基于ZigbeeZigbee网关网关基于现有无线路由器组网基于运营商网络部署方式节点节点节点 +网关（网关部署位置要求较高，网关（网关部署位置要求较高，需要考虑因素多）需要考虑因素多）节点节点 +网关网关节点节点传输传输距离距离远距离（可达十几公里，一远距离（可达十几公里，一般情况下般情况下10KM10KM以上）以上）远距离（可达十几公里，城市远距离（可达十几公里，城市1212公里公里,郊区可达郊区可达20km20km）短距离（短距离（1010米米 百米级别）百米级别）短距离（短距离（1010米米 百米级别百米级别远距离单网接入节点容量约约2020万万约约6 6万，实际受网关信道数量，节点发万，实际受网关信道数量，节点发包频率，数据包大小等有关。一般有包频率，数据包大小等有关。一般有50050005005000个不等个不等理论理论6 6万多个，一般情况万多个，一般情况200500200500个个一般情况一般情况200500200500个个超多电池续航理论约理论约1010年年/AA/AA电池电池理论约理论约1010年年/AA/AA电池电池理论约理论约2 2年年/AA/AA电池电池成本模块模块5-10$5-10$，未来目标降到，未来目标降到1$1$模块约模块约5$5$模块约模块约12$12$频段LicenseLicense频段，频段，电信电信运营商频段运营商频段unlicenseunlicense频段，频段，Sub-GHZ(433Sub-GHZ(433、868868、915 MHz915 MHz等等)unlicenseunlicense频段频段2.4G2.4G2.4G 5G2.4G 5G电信传输速度理论理论160kbp 250Kbps160kbp 250Kbps，实，实际一般小于际一般小于100kbps100kbps，受限低，受限低速通信接口速通信接口UARTUART0.350kbps0.350kbps理论理论250kps250kps，实际一般小，实际一般小于于100kbps100kbps，受限低速通，受限低速通信接口信接口UARTUART超快网络时延6s-10s6s-10sTBDTBD不到不到1S1S6s-10s6s-10s超短适合领域户外场景，户外场景，LPWANLPWAN大面积传感大面积传感器应用器应用户外场景，户外场景，LPWANLPWAN，大面积传感器应用，大面积传感器应用可搭私有网网络，蜂窝网络覆盖不到地可搭私有网网络，蜂窝网络覆盖不到地方方 常见于户内场景，户外也常见于户内场景，户外也有有,LPLAN,LPLAN小范围传感器应小范围传感器应用可搭建私有网网络。用可搭建私有网网络。常见于户内场景，户外也有常见于户内场景，户外也有,LPLAN,LPLAN小范围传感器应用可小范围传感器应用可搭建私有网网络。搭建私有网网络。广泛长距离无线通信（接入层）长距离无线通信（接入层）LoRa来源于Long Range这个单词，是一种长距离通信的通信技术。LoRa技术基于线性Chirp扩频调制，延续了移频键控调制的低功耗特性，但是大大增加了通信范围。Chirp扩频调制有长距离传输以及很好的抗干扰性，已经在军事和航天通信方面应用多年。极端情况下，LoRa的单个网关或者基站可以覆盖整个城市或者几十公里。LoRa LoRa技术应用典型场景包括：超长电池寿命（几年），节点之间长距离通信，低速率（如每小时只要传递几次数据）。LoRa优势：相比于NB-IoT，LoRa基于Sub-GHz的频段使其更易以较低功耗远距离通信，可以使用电池供电或者其他能量收集的方式供电；LoRa信号的波长较长决定了它的穿透力与避障能力；大大的改善了接收的灵敏度，超过-148dBm的接收灵敏度使其可视通信距离可达15公里；降低了功耗，其接收电流仅14mA，待机电流为1.7mA，这大大延迟了电池的使用寿命；基于终端和集中器/网关的系统可以支持测距和定位。LoRa对距离的测量是基于信号的空中传输时间而非传统的RSSI，其定位精度可达5m（假设10km的范围）。NB-lOT NB-IoT指窄带物联网（Narrow Band-Internet of Things）技术，它是将LTE用于物联网的一个相对较新的变体是窄带物联网，它工作在授权频段的技术，核心是面向低端物联网终端（低耗流），适合广泛部署在智能家居、智能城市、智能生产等领域，对长距离、低速率、低功耗、多终端的物联网应用具有较大优势。与使用标准LTE的全部10MHz或20MHz带宽不同，窄带物联网使用包含12个15kHz LTE子载波的180kHz宽的资源块。数据速率在100kb/s到1Mb/s范围之内。这种更加简化的标准可以为联网设备提供很低的功耗。此外，它可以作为一种软件叠加被部署进任何LTE网络。窄带物联网的资源块能够很好地适配进标准LTE信 道或保护带。当运营商重新划分它们较早的2G频谱时，它也能适配进标准的GSM信道。调制采用OFDMA下行链路和SC-FDMA上行链路。LoRaNB-lOT5G LoRa、NB-IOT与5G技术都还处在发展的起步阶段，需要各方的投入和共同的发展。当大规模部署成为现实的时候，LoRa、NB-IOT与5G模组自然会进一步降低，竞争也回非常激烈。在新一波的物联网发展的行情中，只有先把项目落地，才能赢得先人一步的机会。