物联网开发入门笔记（五）：常见物联网通信技术

一、有限通信技术

1、Ethernet(以太网)：由施乐（Xerox）公司创建，并由Xerox和Intel和DEC公司联合开发的局域网规范。

经过长期发展，以太网已经成为最广泛的局域网。基站上由三种接口：一个ETH口，两个FE/GE口和两个SFP口。

其中SFP口就是使用光纤传输的千兆光口。

ETH的意思是标准以太网，传输速率为10Mbps。

FE是快速以太网（fast Ethernet）传输速率为100Mbps

GE的意思是千兆以太网（gigabit Ethernet），传输速率为1000Mbps.

FE/GE的意思是百兆、千兆自适应网口，根据对接端交换机的速率来确定。

以太网核心技术是采用CSMA/CD（载波监听多路访问/冲突检测）通信控制机制。

“载波监听”表示发送之前的检测，“多路访问”表示一点发送全站接受，“冲突检测”表示发送过程中的检测。

2、RS-232和RS-485：RS是1970年由美国电子工业协会（EIA）联合贝尔系统、调制解调器厂家及计算机终端生产厂家共同制定的用于串行通讯的标准。

它的全名是“数据终端设备（DTE）和数据通讯设备（DCE）之间串行数据交换接口技术标准”

该标准规定采用一个25的DB25连接器，对连接器的每个引脚的信号内容加以规定，还对各种信号的电平加以规定。随着设备的不断改进，现在的DB25针很少看到了，代替它的是DB9的接口。

3、M-Bus(Meter Bus)--用户仪表总线，它是一种专门为消耗测量仪器和计数器传送信息的数据总线设计的。

M-Bus在建筑物和工业能源消耗数据采集由多方面的应用。

M-Bus的最大传输距离为1000m，且M-Bus可为现场设备供电，无需再布设电源线，总线供电能力为5A，节点功率需小于0.65mA.？

M-Bus总线的提出满足了公共事业仪表的组网和远程抄表的需要，同时它还可以满足远程供电或电池供电系统的特殊要求。

M-Bus串行通信方式的总线型拓扑结构非常适合公共事业仪表的可靠，低成本的组网要求，可以在几公里的距离上连接几百个从设备。

4、USB：universal serial Bus是连接计算机系统与外部设备的一种串行总线标准，也是一种输入输出接口的技术规范，被广泛应用于个人电脑和移动设备等信息通讯产品，并扩展摄影器材，数字电视（机顶盒）、游戏机等相关领域。

在USB接口出现之前，电脑的接口处于春秋战国时代，串口并口等多方割据，像键盘、鼠标、modem、打印机、扫描仪等都要连接到不同的接口上，一个接口只能连接一个设备，不过我们的电脑不可能支持那么多的接口，所以扩展能力不足，而且速度有限。USB正是为了解决速度、扩展能力，易用性应景而生。

最新一代的USB4.0，传输速度为40Gbit/s。

5、PLC：power line communication 电力线通信技术是指利用电力线传输数据和媒体信号的一种通信方式。

该技术是把载有信息的高频加载于电流然后用电线传输接受信息的适配器再把高频从电流中分离出来并送到计算机或电话以实现信息传递。

二、无线通信技术

1、短距无线通信技术

Bluetooth：是一种大容量近距离（一般10米内）无线数字通信技术标准，最新的蓝牙5.0支持最高3Mbps的传输速率，传输距离可达约300米。蓝牙技术发展到后期分为BR/EDR（基础率/增强数据率）和LE（低耗能）两种技术类型，其中BR/EDR型以点对点的方式进行通信，LE型则支持点对点（一对一），广播（一对多）和mesh（多对多）等多种网络拓扑结构。其中LE型主要应用于物联网领域，为智能家居提供更低功耗和更高性能的服务。

优点：速率快，低功耗，安全性高

缺点：针对于EDR型而言，网络节点少，不适合多点布控。

WiFi：是一种允许电子设备连接到一个无线局域网（WLAN）的技术，通常使用2.4GUHF或5GSHF ISM射频段。最新的WiFi6支持9.6Gbps的传输速率以及低至20ms的时延。

优点：覆盖范围广，数据传输速率快。

缺点：传输安全性不好，稳定性差，功耗高，组网能力差。

ZigBee：是一种短距离，低功耗的无线通信技术。

特点：近距离，低复杂度，自组织，低功耗，低数据速率，广泛的应用于工业和智慧家庭领域。

Z-Wave：是一种新兴的基于射频的，低成本，低功耗，高可靠，适于网络的短距离无线通信技术。

优点：结构简单，低速率，低功耗，低成本，可靠性高。

缺点：标准不开放，芯片只能通过sigma design这一唯一来源获取。

2、蜂窝移动

蜂窝网络（cellular network），又称移动网络（mobile network）是一种移动通信硬件架构，分为模拟蜂窝网络和数字蜂窝网络。由于构成网络覆盖的各通信基地台的信号覆盖呈六边形，从而使整个网络像一个蜂窝而得名。

1G:

第一代移动通信技术是指最初的模拟，仅限语音的蜂窝电话标准，制定于上世纪80年代。

第一代移动通信主要采用的是模拟技术和频分多址（FDMA ）技术。由于受到传输带宽的限制，不能进行移动通信的长途漫游，只能是一种区域性的移动通信系统。

第一代移动通信有多种制式，我国主要采用的是TACS。

第一代移动通信有很多不足之处，如容量有限，制式太多，互不兼容，保密性差，通话质量不高，不能提供数据业务和不能提供自动漫游等。

2G

     GSM：global system for mobile communication，全球移动通信系统。是第二代移动通信技术。

                 GSM是1992年欧洲标准化委员会统一推出的标准，它采用数字通信技术，统一的网络标准，使通信质量得以保证，并可以开发出更多的新业务提供用户使用。  GSM数据速率为9.6Kbps。

     GPRS：general packet radio service是通用分组无线服务技术的简称。它是GSM移动电话用户可用的一种移动数据业务，属于第二代移动通信中的数据传输技术。GPRS可以说是GSM的延续。GPRS的传输速率可提升是56-114Kbps。

3G

第三代移动通信技术系统是国际电讯联盟（ITU）为2000年国际移动通信而提出的具有全球移动，综合业务，数据传输蜂窝，无线，寻呼，集群等多种功能，并能满足频谱利用率、运行环境，业务能力和质量、网络灵活以及无缝覆盖、兼容等多项要求的全球移动通信系统，简称IMT-2000系统。系统工作于2000MHz频段，可同时提供电路交换和分组交换业务，上下行频段为1890-2030MHz，2110-2250MHz。

3G有3种标准：CDMA2000，WCDMA，TD-SCDMA。

3G标准演进到现在，WCDMA的最新技术HSPA+以可支持42Mbps的下行速率。

4G

第四代移动电话通信标准，该技术包括TD-LTE和FDD-LTE两种制式。

4G是集3G和WLAN于一体，并能够快速传输数据，高质量音频，视频和图像等。

4G能够以100Mbps以上的速度下载，比家用宽带ADSL（4M）快25倍，并能够满足几乎所有用户对无线服务的要求。

4G可以在DSL和有线电视调制解调器没有覆盖的地方部署，然后扩展到整个地区，很明显，4G有着不可比拟的优越性。

LTE-Cat

Cat即UE-Category，指的是UE的接入能力等级，也就是UE能够支持的传输速率的等级，比如LTE cat4就是指终端LTE网络接入能力等级为4，根据3GPP的定义，UE-category分为10个等级。

Cat.1支持高达10Mbps的终端下行链路速率，从而能够以更低的功耗和更低的成本IoT设备连接到LTE网络。由于世界各地的４GLTE运行商均基于最新３GPPＲｅｌｅａｓｅ８协议版本进行部署，因此运营商无需升级网络，仅需要简单的参数配置即可允许Cat.１终端访问网络。

尽管Cat．４及更高版本的解决方案支持高速率，但对于物联网行业而言，其成本价格通常相对较高，并且Cat１的高度集成为客户提供了最佳的性价比。

Cat．４支持高达１５０Ｍｂｐｓ的终端下行链路速率。

应用场景：车联网，智能电网，４G无线路由，视频安防，商显设备，４G执法仪。

视频直播设备等对于宽带速率要求非常高，同时对稳定性要求更高的场景。

目前我们手机所使用的LTE网络主要指的是LTE　Ｃａｔ．４．

5G

第五代移动通信技术（５th generation mobile communication technology)是具有高速率，低时延和大连接特点的新一代宽带移动通信技术，5G通讯设施是实现人机物互联的网络基础设施。

ITU-R已于2015年6月定义了未来5G的3大类应用场景，分别是增强型移动互联网业务eMBB（enhanced mobile broadband）、海量连接的物联网业务mMTC(Massive Machine Type Communication)和超高可靠性与超低时延业务uRLLC（Uitra reliable & low latency communication），并从吞吐率，时延，连接密度和频谱效率提升等8个纬度定义了对5G网络的能力要求。

2019年6月6日，工信部正式向中国电信，中国移动，中国联通，中国广电发放了5G商用牌照，并在同年10月31日正式宣布5G商用启动。

3、LPWA通信技术

LPWA（low power wide aera），低功耗广域网。

LPWA是随着物联网兴起发展起来的通信技术。当初设计移动蜂窝通信技术主要是用于人与人的通信，当前全球真正承载在移动蜂窝网络上的物语物的连接仅占连接总数的6%。如此低的比重，主要原因在于当前移动蜂窝网络的承载能力不足以支撑物语物的连接。为了满足越来越多的远距离物联网设备的连接需求，LPWA应运而生。LPWAN专为低带宽，低功耗，远距离，大量连接的物联网应用而设计的。

SigFox

利用超窄带（ultra-narrow band，UNB）的调制方式，使用192kHz频谱宽带的公共频段来传输信号，每条信息的传输宽度为100kHz，并且每秒100bit或600 bit的数据速率传输，具体速率取决于不同区域的网络配置传输功耗水平非常低，并仍然能维持一个稳定的数据连接。

sigfox无线链路使用免授权的ISM射频频段。频率根据国家法规有所不同，在欧洲广泛使用868MHZ，在美国是915MHZ。

sigfox网络技术使用超窄带调制技术，单个基站能够实现网络消息的传输最远达1000公里以上，每个基站允许多达100万个物联网设备终端。

LoRa

LoRa是semtech公司开发的一种低功耗局域网无线标准，由LoRa联盟维护管理。其名称“LoRa”是远距离无线电（long range radio），它最大的特点是在同样的功耗条件下比其他无线方式传播的距离更远，实现了低功耗和远距离的统一，它在同样的功耗下比传统的无线射频通信距离扩大3-5倍。

LoRa可以应用于自动抄表，智能家居和楼宇自动化，无线预警和安全系统，工业检测和控制以及远程灌溉系统等等。LoRa使用未授权频谱来支持服务。

NB-IoT

窄带物联网（narrow band internet of things ）成为万物互联网络的一个重要分支。NB-IoT是基于蜂窝的窄带物联网，其构建于蜂窝网络，只消耗大约180kHZ的带宽。可直接部署于GSM网络，UMTS网络和LTE网络，以降低部署成本，实现平滑升级。

同时根据3GPP的R14版本，NB-IoT可支持基站定位，同时能够支持80km/h以内的移动性场景。

eMTC

LTE enhanced MTO 是爱立信提出的无线物联网解决方案。eMTC是基于LTE演进的物联网技术。为了更加适合物语物之间的通信，也为了更低的成本，对LTE协议进行了剪裁和优化。其用户设备通过支持1.4MHZ的射频和基带带宽，可直接接入现有的LTE网络。

eMTC主要面向低速率，深度覆盖，可达1Mbps，但覆盖较小，功耗较大，容量也较小。另外eMTC提供了一定的语音通信能力。