物联网——2 物联网通信

Posted 2022-10-30 langtaol

物联网通信

本文非原创，旨在于学习物联网相关知识。文中内容来自物联网与短距离无线通信技术教材，详情可以参考下面书籍。
董健 编著. 物联网与短距离无线通信技术(第2版).电子工业出版社.2016.9

物联网通信
前面总结了物联网的分层结构——端管云架构，这里重点对物联网通信进行学习。通信是连接物联网终端和云端、应用层的关键，没有中间的通信就无法产生丰富的物联网应用。物联网通信将现实物理世界和虚拟的数字世界连接在一起，构成了物物互联的基础。
物联网通信几乎包含了所有的通信技术，包括有线通信和无线通信。无线通信包括移动通信、无线通信、射频与微波通信等。

移动通信
移动通信（Mobile Communication），就是移动体之间的通信或移动体与固定体之间的通信。移动体可以是人，也可以是汽车、火车、轮船、收音机等在移动状态中的物体。移动通信具有广覆盖、建设成本低、部署快、业务开通方便等特点，成为物联网通信的主要连接手段之一。移动通信具有受时空限制少、实时性好的优点 ，从而得到了广泛的应用和飞速的发展。移动通信网络是一个广域通信网络，典型代表是移动蜂窝网，中心基站负责终端设备的接入，然后与上层核心网一起完成数据的传输。综合了无线和有线通信的传输优势，满足了物联网应用场景中与固定终端或移动终端的通信诉求。

移动通信的特点
①移动性：摆脱线缆约束，保持物体在移动状态中的通信，因而它必须是无线通信，或无线通信与有线通信的结合；
②电磁波传播条件复杂：电磁波在传播时会产生反射、折射、绕射、多普勒效应等现象，产生多径干扰、信号传播延迟和展宽等效应；
③干扰严重：移动用户之间的互调干扰、邻道干扰、同频干扰等；
④系统和网络结构复杂：它是一个多用户通信系统和网络，必须使用户之间互不干扰，能协调一致地工作，此外，移动通信系统还应与市话网、卫星通信网、数据网等互连，整个网络结构更加复杂；
⑤要求频带利用率高、设备性能好。
移动通信由于自身特点，决定了在传输过程中产生三类不同的损耗和四种效应。三类损耗包括路径损耗、大尺度衰落损耗、小尺度衰落损耗。四种效应包括阴影效应、远近效应、多径效应、多普勒效应。

移动通信的发展
移动通信的标志性发展历程就是从大家熟悉的1G（模拟通信）开始，到2G（GSM）、3G（CDMA）、4G（LTE）、5G的发展历程。1978年贝尔实验室研制小区制的移动电话系统，建成了蜂窝状移动通信，大大提高了网络容量，开始了第一代通信系统。20世界80年代数字移动通信系统逐渐发展成熟，大大提高了系统容量，能提供语音、数据等多种服务。典型代表就是欧洲的GSM网络。20世纪末，第三代移动通信的开发和推出，使移动通信进入了全新的发展阶段。全球三大主流标准包括：WCDMA、CDMA2000和TD-SCDMA。2010年左右，4G通信逐渐开始，典型代表是LTE和WiMax，4G增强了空口技术，采用了OFDM和MIMO技术。2020年，5G逐渐开始商用，为物联网、AR、VR、自动驾驶等实现提供了有力技术支撑。
移动通信是迅速发展，除了用户的强烈需求推动外，还包括几个方面提供的条件。首先，微电子的发展使得通信设备小型化成为可能，各种通信终端被不断推出，价格也不断降低。其次，创造性的提出了蜂窝网通信概念。随着用户数增加，用户数据传输速率需求不断增强，大区制能提供的容量很快饱和，此时必须有新的通信体制与之结合。这方面的重要突破就是贝尔实验室提出的蜂窝网概念。蜂窝网也叫小区，实现了频谱复用，大大提高了容量，真正解决了公用通信频谱资源的矛盾。第三，微处理器技术日趋成熟，及计算机技术的发展，为大型通信网的管理和控制提供了技术支持。

无线通信
宽带无线接入技术通过无线的方式，以与有线接入技术相当的数据传输速率和通信质量接入核心网络，有些宽带无线接入技术还能支持用户终端构成小规模的Ad hoc网络。宽带无线接入技术在高速Internet接入、信息家电联网、移动办公、军事、救灾、空间探险等领域具有广阔的应用。
国际电子电气工程师协会（IEEE）在1997年定制了第一个无线局域网标准IEEE 802.11。此后，IEEE 802.11迅速发展为一系列标准，宽带无线接入技术在无线通信领域地位越来越重要。IEEE 802系列无线标准体系及应用场景如下图所示。

1．无线个域网
无线个域网（Wireless Personal Area Network，WPAN）是为了实现活动半径小、业务类型丰富、面向特定群体、无线无缝的连接而提出的新兴无线通信网络技术。WPAN能有效地解决“最后的几米电缆”的问题，进而将无线联网进行到底。
无线个域网位于整个网络的末端，例如连接手机、耳机等。覆盖范围一般在10米内，必须运行于许可的无线频段。WPAN分为高速和低速两种。高速WPAN用于传输视频、图片等场景，低速WPAN用于仓库管理、物流跟踪、环保监控等场景。

2．无线局域网
基于IEEE 802.11标准的无线局域网允许在局域网络环境中使用未授权的2.4 GHz或5.3 GHz射频波段进行无线连接。
无线局域网优点包括：灵活性和移动性、安装便捷、易于网络规划调整、故障定位容易、易于扩展等。不足之处包括：性能、速率、安全性等。无线局域网需要解决的技术要求包括：可靠性、兼容性、速率、移动性、节能性、小型化、低价格、电磁环境等。

3．无线城域网
无线城域网（Wireless Metropolitan Area Network，WMAN）是以无线方式构成的城域网，提供面向互联网的高速连接。无线城域网的推出是为了满足日益增长的宽带无线接入（Broadband Wireless Access，BWA）市场需求。IEEE 802.16系列标准能同时解决物理层环境（室外射频传输）和QoS两方面的问题，以满足BWA和“最后一公里”接入市场的需要。802.16采用了OFDM技术，不是所有的OFDM都是相同的。802.11为了低功耗能力，OFDM是按照覆盖十米或百米设计的，802.16的OFDM被设计成高功率，可覆盖数十公里。

4．无线广域网
WWAN是采用无线网络把物理距离极为分散的局域网（LAN）连接起来的通信方式。WWAN连接地理范围较大，常常是一个国家或是一个洲，其目的是为了让分布较远的各局域网互连，它的结构分为末端系统（两端的用户集合）和通信系统（中间链路）两部分。IEEE 802.20是WWAN的重要标准。
无线通信是通信领域发展最快的部分，同时通信发展越来越呈现出传输宽带化、宽带无线化、业务多样化趋势。当以光通信为基础的核心网已经具备超高速、超容量的特征时，接入网建设就成为电信网发展必须解决的瓶颈。无线通信以组网灵活、升级方便特点收到业界青睐，但问题也很明显。WiFi、WiMax等无线技术具有接入速率高、费用低的特点，使得利用WiFi、WiMax取代3G的呼声很高。但是从覆盖能力、速率能力、业务类型、前向扩展等多方面因素考虑，WiFi、WiMax更可能是3G技术的补充，而不是竞争对手。
运营商一直想把宽带接入作为一个增长点，但是由于未建立有效的盈利模式，一直发展不尽人意。因此运营商、设备商、内容商必须寻求利益平衡，建立紧密的合作共赢关系。新技术的发展离不开与之相对应的应用，正确处理技术与市场的关系，简历适应市场需求的发展模式也应该成功宽带无线通信技术的发展思路。

短距离通信
到目前为止，学术界和工程界对此并无严格定义。一般来说，短距离无线通信的主要特点是通信距离短，覆盖范围一般在几十米或上百米之内；无线发射器的发射功率较低，一般小于100 mW；工作频率多为免付费、免申请的全球通用的工业、科学、医学（Industrial Scientific and Medical，ISM）频段。短距离无线通信的范围很广，在一般意义上，只要通信收发双方通过无线电波传输信息，并且传输距离限制在较小范围内，通常是几十米以内，就可以称为短距离无线通信。和移动通信网络实现端到端物联网通信不通，短距离无线通信主要关注建立局部范围内临时性的物联网通信。
低成本、低功耗和对等通信，是短距离无线通信技术的三个重要特征和优势。
目前使用较广泛的近距无线通信技术是蓝牙(Bluetooth)，无线局域网802.11(Wi-Fi)、Zigbee和红外数据传输(IrDA)。同时还有一些具有发展潜力的近距无线技术标准，它们分别是：超宽带(Ultra WideBand)、近距通信(NFC)、60GHz通信、可见光通信等。这些技术在通信距离、速率或者其他特性上有不同特点。
需要指出的是，上述各种短距离无线通信技术都有其立足的特点，或基于传输速度、距离、耗电量的特殊要求，或着眼于功能的扩充性，或符合某些单一应用的特别要求，或建立竞争技术的差异化等。它们互为补充，共同存在，但是没有一种技术可以完美到足以满足所有的要求。

随笔

1. 物联网通信基础设施
   在网络融合的大背景下，某种应用想自己搞一套通信标准、通信设施是很困难的，也是不明智的。单独搞一套通信标准、设施不仅没有通信频谱，也会耗费巨大成本。通信作为国家基础设施，新技术必须生长在现有基础设施之上的才有发展前景。所以物联通通信结合了已有的移动、无线通信和有线通信，真正的把现有设施作为数据传输的管道，不用单独在设备连接、数据传输这方面花费太大成本。

2. 移动通信发展在生活中的体现
   简单的说，1G就是可以打电话，2G可以发短信，3G是一个过渡网络，提升了网速可以支持发视频、图片了，基本实现了移动互联网。但3G上网还是比较慢，4G网络更快，促进了社交网、移动互联网。5G网络速率再次质的提升、设备连接数更多、时延更小，可以实现物联网、自动驾驶、AR、VR等场景。
   1G之前的通信系统，就是电视里看到的民国时期两边打电话，中间有人专门接续。采用单工通信方式，两边分别说话，需要中间的人传递，采用专线的方式，全网容量极小。1978年蜂窝通信网，第一次解决了频谱复用问题，大大提高了网络容量，开始了第一代通信系统，从军用扩大到民用。1G典型场景是港片里面土豪用大哥大打电话。1G是模拟电路，2G采用了数字电路，大大提高了网络容量，促进了民用。从外观上看，2G手机比1G手机小很多，更省电，而且可以方便地收发短信。GMS是2G的通信标准。
   2G手机只能打电话、发短信，上网很困难。3G的通信标准将信息的传输率提高了一个数量级，这是一个飞跃，它使得移动互联网得以实现，从此手机打电话的功能降到了次要的位置，而数据通信，也就是上网，成为主要功能。但是，从1G到3G都存在一个大问题，那就是上网用的移动通信的网络和原来打电话用的通信网络虽然能够一定程度地融合，但本质上还是彼此独立的。3G时期标准众多，主流标准就有三个，4G使用了扁平的网络结构，使得3G标准趋于统一。5G到来后，基站更加密集，也变得小型化。
   移动通信发展史，吴军老师介绍的很清楚，可以参考下面的总结：
   https://baijiahao.baidu.com/s?id=1639570085764508641&wfr=spider&for=pc

3. 有线通信和无线通信
   顾名思义，有线通信就是通过线缆实现数据传输，无线通信是通过电磁波传输数据，包括移动通信和无线通信。有线通信传输速率更高，无线通信电磁波暴露在空中，容易被窃取，安全性较低。而有线通信有专门的线缆，相对安全一些。随着3、4、5G无线通信技术发展，无线传输速率也在不断增大，有线通信的场景也被无线通信替代或融合。当然有线通信也没有闲着，有线通信的速率也在不断提升，以光纤通信为代表的有线通信，被不可替代地用于骨干网、核心网。
   移动通信方面无线、有线有着近乎明确的通信负责范围。无线通信完成终端设备到基站的接入。密集的基站几乎覆盖了整个城市、农村地区，无线接入充分利用了无线通信的可移动性，不会让人在打电话的时候被绑在一个固定的地方。但是数据上了基站后，数据量很大，再使用无线通信已不可能，这时候有线通信就可以发挥高速率的优势。将骨干网、核心网的数据通过专用的光纤链路传输到另一个城市，大大节约了数据传输的时间和稳定性。数据到达另一个城市后在通过基站发送到另一个终端，这样一次数据传输就完成了。
   近年来，局部地区范围内使用无线通信逐渐成为趋势，良好的移动性摆脱了线缆的束缚，再加上速率提升，取代了很多有线通信的场景。例如之前电脑都是用网线连接上网，现在WiFi网速良好情况下，用户逐渐开始使用WLAN上网。城市安全监控设备在速率可以保障的情况下，也可以使用无线进行通信。这样大大方便了网络改造和建设。前面也说了无线的稳定性、安全性、速率等方面比有线差一些。所以单纯说有线好或者无线好是没有意义的，需要结合实际使用场景，最终肯定是无线和有线相互补充，选择最佳解决方案。

无线通信标准参考：http://www.txrzx.com/i389-1.html

4. 移动通信和无线通信
   移动通信和无线通信有很多相似的地方。移动通信优势在于移动性，比如在行驶的车辆、高铁上仍能保持语音业务。无线通信特点在于摆脱了线缆的束缚。移动通信用基站提供接入，移动到不同地方的时候，终端会切换到相应基站覆盖的小区里，这样保证了通信的连续性。无线通信一般是有一个固定的接入点（Access Point），接入点通过类似于WiFi的形式提供无线接入，有一定的覆盖范围。个人理解，无线通信也类似于移动通信一样，AP类比于一个小型基站，在AP覆盖范围内，可以保持一定的通信速率，远离基站后通信质量下降。如果相邻AP能够像基站一样统一管理起来，提供无感知的AP切换就类似实现了移动性，目前的分布式路由器就和这个例子很相似。客厅、楼上楼下、厨房通过分布式路由提供WiFi网络，设备移动到不同位置，自动择优选择信号强的接入点，保证连接的连续性和移动性。
   移动通信能实现小区切换、全区域基站管理。一方面是因为有运营商专门管理，另一方面是国家给不同运营商分配了专门的通信频段，是商业性质的产物。而无线通信偏向于家庭、商场使用，覆盖范围相对较小，没有专门管制、分配的频谱，信号比较杂乱。

5. 物联网通信模式
   上面讲了各种通信方式，包括有线通信和无线通信。每种通信方式都有各自的特点和应用场景。物联网应用场景多样，每种场景可以根据自己的特点选择合适的通信方式，总体可以分为蜂窝型和网关型。蜂窝网重点在于海量设备的连接，网关型重点在于相对集中的、通信密集的设备连接。
   NB-IoT：窄带物联网，用于广覆盖、低功耗、低速率、经济回收效益低的连接场景。比如智能抄表，它不需要很高的带宽，一个月传输的数据量不大。但是对低能耗要求高，比如更换一次电池后需要使用好几年。
   eLTE-IoT：企业无线专网，工业级的安全可靠连接标准，多业务融合网络。常见业务有语音、企业专线等。
   工业网关：工业常用数据连接场景。
   家庭智能网关（ONT）：家庭常用的数据连接场景，比较通过WiFi看电影、听歌等。