【华为云IoT】读书笔记之《万物互联：物联网核心技术与安全》第4章（2）

第4章，物联网的网络传输技术体系

        物联网以联系为中心，在网络层（网络传输层）中将“物与物”，“人与物”，“事与物”之间普遍联系起来，从广义角度来看，物联网的网络层可以理解为：面向一切物联网可连之“物”的“物-物”或者“物-人”联系的网络形式的总和。狭义的角度来看，可以认为是为了实现物联网的感知数据和控制信息的通信功能，将感知层获取的相关数据信息通过各种形式的网络实现存储、分析、处理、传递、查询和管理等多种功能。发展的角度来看，网络层是一个宽泛的概念，并不局限于形式，现阶段主要可分为有线和无线形式的数据网络。本章节的学习笔记也将分为几部分，此次主要学习分享升级中的IEEE 802.15.4系列。

4.4升级中的IEEE 802.15.4系列

        802.15.4是一个低速率的无线个域网WPAN（LR_PAN）协议标准，该开发工作组经IEEE标准委员会批准成立于2000年的12月。其显著特点就是复杂度低、功耗很小，能在低成本的设备之间进行低数据率的传输。 工作频段在2.5GHz和868-928MHz，其典型技术如ZigBee，当前IEEE 802.15.4研究主要在802.15.4e（MAC层改进）、802.15.4f（主动式RFID改进）、802.15.4g（电力应用物理层改进）。

        IEEE 802.15.4定义的是PHY层和MAC层，PHY层包含射频（RF）模块和物理层控制机制；MAC子层提供物理信道的访问控制方式及帧的封装。子层之上，提供上层接口可直接与网络层连接，或者通过中间子层——SSCS和LLC实现连接。 IEEE 802.15.4支持两种网络拓扑：单跳星状和多跳对等拓扑，其标准的主要特点有：低耗电量、低速率、低成本、拓扑简单、多设备类型、允许传输的报文长度较短、支持两种地址、低开销、多模式。

        ZigBee联盟在2002年8月，由美国摩托罗拉、英国Invensys公司和荷兰飞利浦等发起，也是IEEE 802.15.4协议的市场推广和兼容性认证的组织。ZigBee定义了无线传感器网络与应用层标准， IEEE 802.15.4定义了无线传感器网络的物理层和MAC层标准。正是因为 IEEE 802.15.4未对网络层和应用层等高层通信协议建立标准，为保证 IEEE 802.15.4标准的设备之间的互操作性，ZigBee一个非常重要的任务就是开发这些规范，目前IPv6 over ZigBee也在开发之中。ZigBee在中国被译为“紫蜂”，其采用直接序列扩频（DSSS）技术，以 IEEE 802.15.4协议为基础，由应用层、网络层、MAC层（参考数据链路层）和物理层组成。ZigBee的主要特点有低成本、短时延、近距离通信、工作频段灵活、三级安全模式。在2016年1月，ZigBee3.0正式获批，工作频率2.4GHz（全球通用频率），于是成为ZigBee第一个统一、开放和完整的无线物联网产品开发解决方案。

        我们熟知的蓝牙，也是一种近距离无线通信标准，底层由 IEEE 802.15协议规范，其最初版本802.15.1与蓝牙1.1版本完全兼容，其工作在全球通用的2.45GHz的波段范围。2009年，蓝牙4.0标准整合了超低功耗（BLE）技术，可实现靠一枚纽扣电池连续运行数年。蓝牙4.0标准支持IPv6/6LoWPAN，设备可通过网关直连互联网。BLE可实现一对多通信，比如在超市、商场摇一摇，优惠券到手机，就是基于这项技术。蓝牙技术也在不断更新迭代，2016年蓝牙5.0公布，传输速率对比4.0的1Mb/s实现2倍的提升。其应用场景，在日常生活中也较为常见与普遍。

        作为 IEEE 802.15.4标准的“小众”代表，Sub-GHz适合长距离和低功耗通信。无线传播与频率成反比，在低功耗、长距离通信或穿墙能力上，射频更有优势。Sub-GHz通常传输功率高，在点对点或星状拓扑内，可传输约25km，许多公共事业机构都可以由此采用并将量表读数汇集至社区搜集站。目前Sub-GHz技术正进军监控、工业控制、机器人、智慧城市等领域。

        近距离无线传输技术（NFC）也是我们日常生活中较为常见的应用技术，主要用于手机等手持设备中。NFC技术使任意两设备靠近（无需线缆连接），就可以实现相互间的通信，可满足点对点的安全需求。和RFID不同的是，NFC采用了双向的识别和连接，在单一芯片上集成了非接触式读卡器、非接触式智能卡和点对点功能，主要运行在13.56MHz的频率范围内，在大约10cm范围内建立设备之间的连接。NFC的短距离交互简化了整个认证识别过程，并结合其他无线通信（Wi-Fi和蓝牙）实现更快和更远距离的数据传输。NFC的目标并不是取代蓝牙、Wi-Fi等其他无线技术，而是在不同场合、不同领域起到相互补充的作用。2012年12月，中国银联主导的NFC（频率为13.56MHz）成为移动近场支付标准。

        超宽带技术（UWB）式一种无线载波通信技术，不像其他技术采用正弦波，而是采用了纳秒级至微秒级的非正弦波窄带脉冲传输数据。其抗干扰性强，传输速率高，系统容量大，发送功率小。UWB技术具有系统复杂度低、发射信号功率谱密度低、对信道衰落不敏感、低截获能力、定位精度高等优点，尤其适合室内等密集多径场所的高速无线接入，适于建立一个高效的无线局域网（WLAN）或无线个域网（WPAN）。其最具特色的应用是视频消费娱乐方面的无线个人局域网（WPAN）

        无线技术虽然摆脱了布线的束缚，但避免不了用电的问题。德国的EnOcean（易能森）无线通信标准是一种不需要额外电源的物联网技术，国际标准为ISO/IEC 14543-3-10。其标准规范了协议栈中的物理层、数据链路层和网络层，其最大的亮点在于无线能量采集技术。能量采集和转换（机械能、光能、温差等）、高质量的无线通信、超低功耗的芯片组，是其显著特点。

        随着物联网技术和应用的不断发展，短距离无线通信技术将会迎来前所未有的大发展，包括IEEE 802.15系列的多种短距无线通信技术的应用也将会随着实际需求而持续增长。

        以上就是此次学习笔记内容了，咱们下节见！