物联网技术栈之通信技术

发布于: 2020 年 05 月 20 日
物联网技术栈之通信技术

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物联网技术栈

和传统企业应用于互联网应用相比,物联网的技术栈更宽泛更复杂。大致可以将物联网归类为以下6组技术栈:

  1. 物联网网关

  2. 物联网通信服务

  3. 大数据和过程管理

  4. 用户交互

  5. 平台和赋能

  6. 安全

每组技术栈的纵深都很陡峭,都可以单独作为一个学科来研究和讨论。在这里我们只做关键技术的一个概述,介绍它们与其他概念的一个关系,从而为项目经理、产品经理和解决方案架构师提供不同技术的一个概览,使他们更好地了解什么时候使用(不使用)这些技术(取决于具体项目的情况)。

本篇文章主要介绍物联网通信服务相关技术。

物联网通信服务

物联网通信类型

一般可以将物联网分为以下几种通信类型:

设备-设备(D2D)

两个智能设备之间的直接通信

设备-网关(D2G)

传感器和网关节点之间的通信

网关-云/数据中心(G2C)

数据从网关传输到云端或数据中心

物联网网络类型

根据通信区域,可以分为以下几种网络类型:

近场通信(NFC)

一种低速网络,用于连接相距4厘米以内的电子设备。可能的应用包括非接触式支付系统、身份证件和钥匙卡。

个人区域网络

一个网络,将一个或几个房间内的设备连接起来。

局域网

在一个有限的地理区域(企业、大学)内联合较小的局域网的网络。

广域网(WAN)

一个存在于一个大的地理区域并且联合不同的小网络的网络,包括城域网。

本篇章主要介绍远程的广域网技术,其他设备-设备和设备-网关的通信技术请参考物联网技术栈之网关技术

物联网远程通信技术

我们可以将物联网远程通信技术主要分为两大类:蜂窝网络和低功耗网络。而两种网络又存在交集。

传统蜂窝网络(2G/3G/4G)

2G(GSM/GPRS)

GSM是第二代移动电话系统。它主要用于语音,但也支持短信和GPRS形式的数据。因为这是一个旧的系统,所以它被广泛采用,并且可以以较低的成本获得硬件。

4G(LTE)

LTE是第四代移动网络系统。尽管它支持语音通话,但它是为更好的可扩展性和无线宽带而设计的。该范围通常小于GSM,但可获得的数据速率是数量级以上。LTE可以与远程WiFi相媲美。

低功耗网络(LPWAN)

LPWAN技术填补了移动(2G、3G、4G)和短程无线(如蓝牙、WiFi和Zigbee)网络之间的空白,并且是为机器而不是人为通信而设计的。人类通信包括语音、数据和视频,在用户移动时需要高吞吐量和低延迟来保证无缝的用户体验。相比之下,机器通信,尤其是物联网设备和应用,需要低流动性的低水平数据传输。

LPWAN技术包括:NB-IoT、LET-M、LoRa、SigFox等技术。

NB-IoT

NB-IoT(窄带物联网)是一种新的LTE解决方案,支持在许可频谱下的超低比特率应用。NB-IoT旨在降低终端成本,优化更便宜的无线模块,使电池寿命非常长,并扩大无线电覆盖范围,支持远程和深入的室内通信。NB-IoT在移动电话无线电频谱中运行,并利用旧的、未使用的GSM信道或LTE信道之间的空闲空间。

NB-IoT也是国内重点发展的物联网技术,以华为和三大运营商为首,带动了芯片、网络、设备、应用等全生态的产业链发展。后续会在介绍华为物联网体系时详细在介绍。

LET-M

LET-M是LTE网络的扩展,提供低速、低功耗和远程协议,用于传输小批量数据。因为它是在LTE基站上运行的,所以实现起来更便宜,因为不需要专门的硬件。为了支持LTE-M功能,现有的LTE基站只需要进行软件升级,硬件组件保持不变。LTE-M能够增加覆盖范围,降低复杂性,降低成本,电池寿命超过10年,适用于广泛的应用场合。LTE-M技术支持移动性、无缝切换和低延迟时间间隔。LET-M技术主要在欧美国家发展比较迅速。

LoRa

LoRaWAN是一种低速、远程、低功耗的通信协议。它是一个开放的规范,因此任何人都可以在自己的设备上自由地实现协议。LoRa覆盖面更广且成本相对更低,支持灵活组网,某种程度上,LoRa延伸了物联网网络连接的边界,在一些特定细分的场景中,比如偏远或边缘地区,比如景区或高新区,相比依赖于运营商的NB-IoT,更适合企业的业务需求,比如智能路灯、智能家居等领域。

SigFox

Sigfox是一个私有网络和协议。可以用于任何远程数据上传。它速度慢,功率小,但传输距离远。SigFox是为打造物联网的无线网络而生的,不过国内关注度较低于LoRa,这两家都被Semtech收购了。SigFox优势是什么呢?没有传统无线网络的包袱,针对物联网的特点,压缩成本、广泛覆盖及提升速率,多适用海外智能制造等场景。而且不同于LoRa逐步完善标准化,Sigfox标准化问题存有些许隐患。

5G

5G理论上归属于传统蜂窝网络,但是因为其各个指标和其他技术相比都是颠覆级别,所以将它和传统蜂窝网络与低功耗网络作为同级技术。

5G场景主要围绕三个核心场景:

  1. 增强的移动宽带:关注以人为中心的访问多媒体内容、服务和数据的需求。

  2. 超可靠和低延迟通信:解决关键任务通信场景。

  3. 大型机器的通信:目标是低成本设备的大量部署,通常具有有限的能力。

5G的性能指标除了成本和功耗之外,基本碾压其他通信技术。

总结

物联网远程通信技术可分为传统蜂窝网络的2G、3G、4G、5G技术和低功耗网络的NB-IoT、LET-M、LoRa、SigFox等技术。各性能指标比较如下图。

在大规模物联网场景下(智能农业、智能电表、车队管理等),一般具有低成本、低功耗、设备量大、数据量小的特点,所以LPWAN技术更合适;而发展迅速的关键物联网领域(自动驾驶、远程医疗等领域)对网络的可靠性、延迟性要求较高,所以即将到来的5G技术更合适。

作者介绍:

老任,自由撰稿人,物联网 & 车联网。个人公众号:hongjun-iot。

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老任物联网杂谈 2011.07.14 加入

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