物聯(lián)網(wǎng)場景中的通信協(xié)議介紹

隨著互聯(lián)網(wǎng)的迅速發(fā)展，越來越多的信息孤島已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了聯(lián)通，在此基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)萬物互聯(lián)已經(jīng)不再是遙不可及的夢想。不知不覺間，我們在生活中已經(jīng)開始接觸物聯(lián)網(wǎng)的相關(guān)技術(shù)甚至是產(chǎn)品。

下面我將針對物聯(lián)網(wǎng)場景中的一些通信協(xié)議和大家做一個簡單的分享，希望能給大家?guī)砀鄦l(fā)。

——劉洋 銳捷網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)部行業(yè)咨詢

▲ 本文思維導(dǎo)圖概覽

物聯(lián)網(wǎng)的基本架構(gòu)包括三個層面：感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。

▲ 物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)圖

感知層通過傳感器采集某些數(shù)據(jù)（聲、光、電等），基于網(wǎng)絡(luò)層的終端模組，對接到網(wǎng)絡(luò)層的基站，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集后的傳輸。

網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)將感知層采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行回傳，基于不同特點(diǎn)采用不同的通信協(xié)議技術(shù)進(jìn)行回傳至關(guān)重要，這也是本文重點(diǎn)所討論的內(nèi)容。

應(yīng)用層可以理解為物聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)平臺和業(yè)務(wù)平臺。數(shù)據(jù)平臺作為所有物聯(lián)網(wǎng)終端數(shù)據(jù)的集合點(diǎn)，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一存儲、分析等，北向通過標(biāo)準(zhǔn)的API接口提供給業(yè)務(wù)平臺做數(shù)據(jù)調(diào)用；業(yè)務(wù)平臺基于數(shù)據(jù)平臺的原始數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)各種業(yè)務(wù)邏輯，對外呈現(xiàn)的是服務(wù)。

其中，聚焦于網(wǎng)絡(luò)層的通信協(xié)議，則是群雄逐鹿，百家爭鳴。

當(dāng)下最流行的Wi-Fi技術(shù)數(shù)據(jù)傳輸速度飛快，尤其802.11ax技術(shù)即將誕生，理論上8條流不是夢。然而伴隨速度的提升，耗電量急劇增大，且傳輸距離也成為難題，長距離傳輸需要每隔一定距離放一個AP進(jìn)行橋接，這必將大幅提升成本。因此，Wi-Fi技術(shù)更適合供PC及PDA等終端應(yīng)用的室內(nèi)無線上網(wǎng)場景。

藍(lán)牙技術(shù)與Wi-Fi在2.4G頻段上有交接，所以同頻段會有一些干擾問題的產(chǎn)生。藍(lán)牙的耗電情況比Wi-Fi稍微低一些， 而傳輸速度遠(yuǎn)不及Wi-Fi。在資產(chǎn)追蹤、定位標(biāo)簽以及醫(yī)療傳感器等場景下應(yīng)用較多，如智能手表，藍(lán)牙定位等。

Zigbee技術(shù)的功耗比較小，通信距離也比較短，是一種短距離低功耗的技術(shù)，主要應(yīng)用于無線傳感器及醫(yī)療場景等。

UWB超寬帶技術(shù)頻段較為干凈，沒有其他頻段的干擾，在高精度定位的場景下應(yīng)用更多。

▲ 通信協(xié)議對比

以上技術(shù)更適合近距離場景的數(shù)據(jù)傳輸，那么在遠(yuǎn)距離場景下又有哪些技術(shù)呢？

運(yùn)營商提供的4G網(wǎng)絡(luò)，是人們生活中應(yīng)用最多的，甚至超過Wi-Fi。它可以做到長距離傳輸，無論在室內(nèi)還是室外，速度都很可觀。這種技術(shù)看起來很優(yōu)越，但其功耗較大，只能應(yīng)用于終端可自取電的物聯(lián)網(wǎng)場景，如某公司的共享單車，利用太陽能電池板進(jìn)行取電。

在遠(yuǎn)距離場景下，如果終端不能解決供電問題，那么需要一種具有更低功耗，覆蓋范圍更大的技術(shù)來滿足這個場景下的物聯(lián)網(wǎng)通信需求。于是在業(yè)務(wù)和技術(shù)的驅(qū)動下，一些專家和企業(yè)為了解決這個問題，研究出一種新型的通信技術(shù)——LPWAN，即低功耗廣域網(wǎng)技術(shù)。

LPWAN的目標(biāo)是為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中的M2M（設(shè)備到設(shè)備）通信場景而優(yōu)化的遠(yuǎn)距離無線網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)。LPWAN技術(shù)的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在：低速率、超低功耗、長距離、低吞吐、強(qiáng)覆蓋。這些特點(diǎn)恰好說明，此項(xiàng)技術(shù)正是針對物聯(lián)網(wǎng)在長距離傳輸?shù)膱鼍跋麻_發(fā)的。具體應(yīng)用如：城區(qū)覆蓋、遠(yuǎn)程抄表、井蓋檢測以及近海漁船檢測等。

▲ LPWAN技術(shù)特點(diǎn)

LPWAN作為一個新的技術(shù)陣營，其內(nèi)部分為兩大派系：授權(quán)頻段和非授權(quán)頻段。授權(quán)頻段又分為EC-GSM、eMTC以及NB-IoT；而非授權(quán)頻段的“頭牌”則是LoRa。

EC-GSM

隨著LPWAN的興起，傳統(tǒng)的GRPS應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)的劣勢愈發(fā)明顯。2014年，3GPP研究項(xiàng)目提出，將窄帶（200kHz）物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)遷移到GSM上，尋求比傳統(tǒng)GPRS高20dB的更廣的覆蓋范圍，并提出五大目標(biāo)：提升室內(nèi)覆蓋性能、支持大規(guī)模設(shè)備連接、減小設(shè)備復(fù)雜性、減小功耗和時延。到了2015年，TSG GERAN #67會議報告表示，EC-GSM已滿足5大目標(biāo)。但隨著R13 NB-IoT標(biāo)準(zhǔn)凍結(jié)之后，人們將更多精力投入到了重新定義的標(biāo)準(zhǔn)當(dāng)中。

eMTC

eMTC的概念在R13中被正式命名，以前的R12被稱為Low-Cost MTC，它是基于LTE演進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。eMTC基于蜂窩網(wǎng)進(jìn)行部署，用戶設(shè)備通過支持1.4MHz的射頻和基帶帶寬，可直接接入現(xiàn)有的LTE網(wǎng)絡(luò)。eMTC的關(guān)鍵能力在于速率高（相較于GPRS、zigbee等）、可移動、可定位以及支持語音。。

NB-IoT

最近特別火熱的NB-IoT其實(shí)是NB-CIoT和NB-LTE兩者的融合。NB-CIoT提出了全新的空口技術(shù)，較傳統(tǒng)LTE網(wǎng)絡(luò)改動較大，他滿足于TSG GERAN#67會議上提出的五大目標(biāo)，其亮點(diǎn)在于通信模塊成本低于GSM及NB-LTE的模塊。而NB-LTE則與現(xiàn)有的LTE兼容，特點(diǎn)是利于部署。在激烈的爭論后，終于對兩者加以融合，形成了NB-IoT的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

NB-IoT全稱為窄帶物聯(lián)網(wǎng)，可以直接部署于LTE網(wǎng)絡(luò)，良好的兼容性降低了部署的成本。其本身具有更低的功耗，理論上估算，承載NB-IoT的終端模組基于電池的待機(jī)時間可達(dá)10年之久。模塊成本的降低，也讓市場更多的公司開始應(yīng)用這項(xiàng)技術(shù)，風(fēng)靡全國的共享單車就是其一。某公司第三代的智能鎖就采用了NB-IoT的模組，一方面是運(yùn)營商的大力推廣，另一方面也確實(shí)帶來了價值。

LoRa

與NB-IoT齊頭并進(jìn)發(fā)展的就是LoRa，與之不同的是LoRa技術(shù)使用非授權(quán)頻段。它是由Semtech公司采用和推廣的一種基于擴(kuò)頻技術(shù)的超遠(yuǎn)距離無線傳輸技術(shù)。LoRa全稱是Long Range，顧名思義，LoRa可以支持長距離傳輸。在中國，LoRa可以使用的頻段有兩個：CN779-787以及CN470-CN510。由于CN779-787最大發(fā)射功率只有10dBm（10mW），并沒有“實(shí)用”的價值。所以人們更青睞于CN470-CN510這個頻段，它的最大發(fā)射功率可以達(dá)到17dBm（50mW）。

類比于Wi-Fi聯(lián)盟，LoRa也有對應(yīng)的LoRa聯(lián)盟，旨為共同建立標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，LoRaWAN就是這樣的產(chǎn)物。

▲ LoRa與NB-IoT對比

基于成本的考慮，LoRa的模組單價在8-10美元左右，而且非授權(quán)頻段也不需要支付額外的頻譜成本，相比于NB-IoT而言，成本方面具有較大優(yōu)勢。在電池性能方面，由于NB-IoT在蜂窩授權(quán)頻譜上工作，所以需要定時進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)同步，會消耗相應(yīng)的電量，而LoRa則無此擔(dān)憂，但NB-IoT的這個特性也受到共享單車的熱烈歡迎，可以基于此來做車輛的實(shí)時定位工作。另外，從商業(yè)模式上來看，NB-IoT屬于運(yùn)營商建網(wǎng)，業(yè)務(wù)方不需要自己來考慮基站的部署，比較省心；但與此同時，網(wǎng)絡(luò)的質(zhì)量、安全都是不可控的風(fēng)險，且企業(yè)自身的增值也會受到一定阻礙。反觀LoRa，屬于企業(yè)自建網(wǎng)絡(luò)，基站需自己部署，后續(xù)需自己運(yùn)維、優(yōu)化等，覆蓋的點(diǎn)位、網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量及安全等維度都要自己負(fù)責(zé)。

截止目前，沒有哪個物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)能夠成為真正的主流，對技術(shù)本身而言，沒有絕對的完美；從業(yè)務(wù)出發(fā)，更是需要結(jié)合業(yè)務(wù)特點(diǎn)、商業(yè)模式去選擇更適合的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展伴隨各方“豪杰”群雄逐鹿，未來會不會三足鼎立或由新的勢力一統(tǒng)天下，讓我們拭目以待。