引 言

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術的不斷演進發(fā)展，全球信息科技發(fā)展正經(jīng)歷著從互聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)網(wǎng)到物聯(lián)網(wǎng)的延伸。芯片巨頭、IT 廠商、電信運營商、互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)等也紛紛進行物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)布局，搶占行業(yè)發(fā)展先機，構建物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)體系。預計未來 5～10 年物聯(lián)網(wǎng)連接數(shù)和市場規(guī)模將發(fā)生大規(guī)模井噴式發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)將成為下一個萬億級別的通信業(yè)務。

1 物聯(lián)網(wǎng)概述

物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things，IoT）是指通過信息傳感設備， 按照約定的協(xié)議把任何物品與信息網(wǎng)絡連接起來進行信息交互和通訊，以實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡。

物聯(lián)網(wǎng)技術架構從下到上依次為感知層、網(wǎng)絡層、應用層。感知層可感知和識別物體，完成信息的收集和簡單處理， 由各類傳感器、攝像頭、GPS、被感知物體等組成 ；網(wǎng)絡層可完成各類設備的網(wǎng)絡接入，傳遞感知層獲取的信息，該層強調(diào)網(wǎng)絡通道接入方式，如光纖、WiFi、藍牙、4G 等；應用層可將物聯(lián)網(wǎng)技術與行業(yè)需求、應用服務相結合，實現(xiàn)廣泛的智能化應用，包括中間件、通用服務平臺、數(shù)據(jù)服務平臺等 [1-3]。物聯(lián)網(wǎng)技術架構如圖 1 所示。

圖1 物聯(lián)網(wǎng)技術架構

2 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡通道技術特點

2.1 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡通道技術分類

早期的物聯(lián)網(wǎng)多采用有線方式，隨著無線通信技術的發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)終端接入更多采用無線方式。本文針對無線通信技術進行研究。

根據(jù)通信距離的遠近，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡通道技術可分為短距離通信技術和長距離通信技術 [4]。物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡通道技術分類如圖 2 所示。

2.2 短距離通信技術特點

2.2.1 ZigBee

ZigBee 是一種短距離、低復雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的無線通信協(xié)議。ZigBee工作在 3 個免執(zhí)照頻段，分別為 2.4 GHz、868 MHz（歐洲）、915 MHz（美國）。

ZigBee 技術的優(yōu)點如下所示：

(1) 數(shù)據(jù)傳輸速率低，為10～250 Kb/s。

(2) 功耗低。在待機模式下，兩節(jié) 5號電池可用 6~24個月，在休眠模式下使用時間可達 10年。

短距離通信技術的技術特點見表 1 所列。 

2.3 長距離通信技術特點 

2.3.1 移動蜂窩通信技術 

目前運營商已經(jīng)構建了覆蓋全球的移動蜂窩網(wǎng)絡，其優(yōu) 勢在于覆蓋范圍廣，速率高。移動蜂窩技術具有功耗高，成本高， 穩(wěn)定性一般等缺點，且大部分物聯(lián)網(wǎng)設備的特點是尺寸小，電 池供電，還經(jīng)常會被放在網(wǎng)絡覆蓋不好甚至無信號的地方，因 此移動蜂窩通信技術不適于大部分物聯(lián)網(wǎng)應用。

移動蜂窩技術常應用于高速率業(yè)務，如要求實時數(shù)據(jù)傳 輸?shù)能囕d物聯(lián)網(wǎng)設備和監(jiān)控攝像頭等。 

2.3.2 低功耗廣域網(wǎng) 

低功耗廣域網(wǎng)（Low-Power Wide-Area，LPWA）是專為 低帶寬、低功耗、遠距離、大量連接的物聯(lián)網(wǎng)應用而設計， 包括非授權頻段技術如 LoRa、Sigfox 等，授權頻段技術如 NB-IoT、eMTC 等 [4]。 

2.3.2.1 非授權頻段技術——LoRa LoRa

（Long Range）是一種基于 1 GHz 以下的超長距 低功耗數(shù)據(jù)傳輸技術。LoRa 在免費頻段運行（433/868/915 MHz）。LoRa 數(shù)據(jù)傳輸速率低，速率范圍為 0.3 ～37.5 Kb/s。

 LoRa 具有如下技術特點 ： 

（1）長距離 ：相比業(yè)界 sub-Ghz 芯片提升約 20 dB 增益， 接收靈敏度提升 20 db 以上，通信距離達 15 km 以上。 

（2）低功耗 ：采用異步通信機制，當其要發(fā)送的數(shù)據(jù)準 備好時開始通信；電池壽命長達 10 年。 

（3）低成本 ：使用非授權頻段，協(xié)議和調(diào)制機制簡單， 設計制造成本低。 

（4）大容量：通過 LoRa 網(wǎng)關有效擴展系統(tǒng)容量，單個網(wǎng) 關連接數(shù)量可達數(shù)萬個節(jié)點；使用線性調(diào)頻擴頻調(diào)制技術，使 網(wǎng)關能并行接收并處理多個節(jié)點的數(shù)據(jù)。 

2.3.2.2 授權頻段技術——NB-IoT 

由于終端傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量很少，物聯(lián)網(wǎng)應用的 ARPU 值較 低，因此需要一種技術方便運營商在現(xiàn)有網(wǎng)絡基礎上升級以 支持物聯(lián)網(wǎng)，因此寬窄物聯(lián)網(wǎng)（Narrow Band-IoT，NB-IoT） 應運而生。 

NB-IoT 技術特點如下： 

（1）覆蓋范圍廣且深 ：比 GPRS 提升約 20 dB 增益，且 具有更高的功率譜密度，更多重傳次數(shù)，有效提升了覆蓋廣度 和深度，可提供 10 倍于 GPRS 的覆蓋面積。

（2）低功耗 ：設備功耗小，5 號電池使用壽命可達 5 ～10 年。借助節(jié)電模式（Power Saving Mode，PSM）和延長的非 連續(xù)接受（Enhanced Discontinuous Reception，eDRX）模式， 減少終端監(jiān)聽網(wǎng)絡頻度，實現(xiàn)更長待機。 

（3）成本較低：采用簡化的協(xié)議棧，降低基帶處理復雜度； 功率放大器小、尺寸小，可降低成本。 

（4）海量連接 ：采用窄帶技術，提高信道容量；減少空 口信令開銷，提高頻譜效率，提供 50 ～100 倍于移動蜂窩技 術的接入數(shù)。

（5）安全穩(wěn)定：繼承 4G 網(wǎng)絡安全能力，提供電信級的可 靠接入。 

2.3.3 LPWA 通信技術對比

表 2 以 LoRa 和 NB-IoT 為例，比較 LPWA 通信技術的 技術特點。 

NB-IoT 在抗干擾性、可靠性等方面略勝一籌，LoRa 則 在成本、產(chǎn)業(yè)鏈成熟度等方面占優(yōu)勢。NB-IoT 和 LoRa 類似 運營商的公網(wǎng)與公安、鐵路等行業(yè)專用網(wǎng)絡的關系。 

3 物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡通道技術典型應用場景 

3.1 家居生活 

家庭安防是智能家居最早的嘗試之一，安防網(wǎng)絡包含的 傳感器數(shù)量較多，對網(wǎng)絡容量、安全要求較高，同時還涉及設 備間的聯(lián)動，要求能自動組網(wǎng)。ZigBee 網(wǎng)絡容量大、可自組網(wǎng) 的特點使其適用于家庭安防場景。 

智能家電是智能家居的另一領域，要求通過互聯(lián)網(wǎng)進 行遠程操控?，F(xiàn)階段智能家電尚未普及，少量智能家電通過 WiFi 技術將家電直接聯(lián)網(wǎng)即可實現(xiàn)。未來，整套智能家居解 決方案中，接入終端數(shù)量眾多，且需要聯(lián)網(wǎng)操作，因此可采用 ZigBee 加網(wǎng)關的方式實現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)接入。 

室內(nèi)外視頻監(jiān)控對網(wǎng)絡帶寬的要求極高，需要接入互聯(lián) 網(wǎng)便于遠程查看，因此 WiFi 或有線方式是較好的選擇。 

可穿戴設備已深入人們的生活，且大部分穿戴類產(chǎn)品需 要通過手機實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)。由于穿戴類設備本身電池的大小和容量 有限，頻繁充電會影響用戶體驗，因此要求低功耗。ZigBee 和藍牙技術均符合要求，但目前很少有集成 ZigBee 的手機， 更多采用藍牙技術。 

3.2 工農(nóng)業(yè)生產(chǎn) 

智能農(nóng)業(yè)中需要部署大量傳感器如溫濕度、風力、光照 傳感器等，在工業(yè)控制領域同樣需要部署大量傳感器對機械 進行監(jiān)測、控制，這類場景不僅要求網(wǎng)絡容量大，且功耗要求 低，ZigBee 技術比較適宜。采用 ZigBee 加網(wǎng)關聯(lián)網(wǎng)，可根據(jù) 環(huán)境狀況對農(nóng)業(yè)設施進行遠程控制，實現(xiàn)自動灌溉、風機降溫、 卷簾遮陽、LED 補光 ；根據(jù)機械監(jiān)測數(shù)據(jù)對工業(yè)機械進行實 時調(diào)整和配置。 

此外采用 WiFi 或有線方式部署攝像頭可實現(xiàn)農(nóng)業(yè)大棚及 工業(yè)生產(chǎn)車間的視頻監(jiān)控。 

3.3 城市管理 

未來城市管理中，采用物聯(lián)網(wǎng)將使管理更智能、精準。 智能停車是應用最廣泛的城市物聯(lián)網(wǎng)，目前常用的方式是車輛 檢測器用非授權頻段（如 ZigBee）進行無線傳輸，將車位信息 上報給匯聚網(wǎng)關，再通過運營商網(wǎng)絡上報到管理平臺。但由 于非授權頻段通信存在信號干擾，網(wǎng)絡穩(wěn)定性、安全性較差， 且匯聚網(wǎng)關覆蓋范圍有限，通常一個網(wǎng)關只能管理 10~15 個車 位，部署復雜度較高，因此采用 NB-IoT 方式。NB-IoT 可提 供運營商級別的網(wǎng)絡保障，無需部署匯聚網(wǎng)關，整體成本（設 備成本、部署成本、維護成本）下降，且后續(xù)車位擴容簡單， 無需考慮網(wǎng)絡兼容性問題，將成為未來應用的技術方向。 

此外，智能井蓋、智能垃圾桶等也是智慧城管的典型應用。 井蓋、垃圾桶數(shù)量眾多，放置范圍廣且環(huán)境較差，需要傳輸 的數(shù)據(jù)量極小，NB-IoT 技術適用于此類場景，將有效助力智 慧城市管理建設。 

3.4 企業(yè)物聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng) 

對于有特定運營需求的企業(yè)級網(wǎng)絡，如電力、水務、燃 氣行業(yè)等，以及相對封閉的企業(yè)體系，往往不希望采用公用網(wǎng) 絡承載其物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務。LoRa、SigFox 等非授權頻段網(wǎng)絡技術 可用于企業(yè)自建 IoT 網(wǎng)絡，以保持企業(yè)對定價、客戶服務、內(nèi) 部管理等的可控性。典型的應用包括智慧水務、智慧油田、物 流跟蹤等。 

4 結 語 

隨著信息技術的飛速發(fā)展，萬 物互聯(lián)的時代已經(jīng)來臨。目前已出 現(xiàn)了眾多物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡通道技術，并 且在較長一段時期內(nèi)，物聯(lián)網(wǎng)仍將 處于藍海階段，新的網(wǎng)絡技術也將 不斷涌現(xiàn)，而新的應用也將不斷被 發(fā)掘。如何針對不同的應用場景， 選擇合適的通信技術是開展物聯(lián)網(wǎng) 應用部署的關鍵。