物联网基础知识笔记

LPWAN

• low-power wide-area network：低功率广域网

LPWAN应用场景的5个特点

• 低功率
  • 实际工作环境决定的
• 非频发
  • 物联网设备一般都在休眠状态，只有需要的时候才会启动，发送或接受消息之后再次休眠
• 高容量
  • 物联网终端多，对于网络容量要求比传统移动通信要大
• 低速率
  • 容量的提高，相应的速率只能降低
• 高时延
  • 同时控制大量终端，势必存在高时延问题

LPWAN频段

• 授权频段
  • 主要由运营商运营，例如eMTC,NB-IoT,EC-GSM-IoT
• 非授权频段
  • 由企业自主运营，也可自己搭建

物联网的网络架构

• 一般分为4个层次，网络感知层，信息传输层，平台层和应用层
• 网络感知层
  • 芯片：传感器、通信模组
  • 操作系统：Lite OS、MicroPython
  • 通讯协议：MQTT、CoAP
• 信息传输层
  • 授权频段
  • 非授权频段
• 平台层
  • OceanConnct
  • AWS IoT
  • Ali
  • OneNET
  • Azure
  • …
• 应用层
  • 包括智慧交通、智慧家居等等等

频段

授权频段

• NB-IoT
  • 基于蜂窝的窄带物联网（Narrow Band Internet of Things,NB-IoT）。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网络或LTE网络，以降低部署成本、实现平滑升级。支持待机时间长、对网络要求较高的场景
  • 3种部署方式：独立部署、保护带部署、带内部署
  • 特点：
  1. 使用200KHz的带宽
  2. 支持HDX
  3. 最大传输速率可达253kbps
  4. 不支持漫游，并且仅支持固定设备
  5. 时延是1.6-10s
  6. 针对物联网设备
  7. 可延长电源寿命长达十年
  8. 低成本
  9. 发射功率为23dBm
  10. 3GPP，R13版本提出
• eMTC
  • 超可靠低时延，侧重点主要体现物与物之间的通信需求。eMTC基于LTE协议演进而来，为了更加适合物与物之间的通信，也为了更低的成本，对LTE进行了裁剪和优化。eMTC基于蜂窝网络进行部署，其用户设备通过支持1.4MHz的射频和基带带宽，可以直接接入现有的LTE网络。
  • 具备“3C”特性
    1. Coverage 增强覆盖（重复发送）
    2. Consumption 低功耗
    3. Cost 低成本
  • eMTC与NB-IoT互补

非授权频段

• RFID

  • 射频识别，Radio Frequency Identification，又称无线射频识别，可通过无线点讯号识别目标并读写相关数据，而且无需识别系统与特定目标建立的机械或光学接触，一般是1-100GHz的微波，适用于短距离识别通信
  • RFID由应答器和阅读器两部分组成，也称RFID标签（tag）和RFID读写器（reader）。设备组成由IC芯片、线圈和天线。
  • RFID包含四种频段类型：低频、高频、超高频和微波。第一大类是低频和高频，使用电磁感应产生信号进行传输，传输距离很短。第二大类是超高频和微波，采用微波传递的方式，传输距离远。
  • 特点
  1. RFID读取器可以同时读取多个RFID电子标签，可以同时获取多个信息
  2. RFID电子标签容量大，可以储存多个信息
  3. 唯一识别
  4. 非接触式
  5. 可重复读写
  6. 耐恶劣环境
  7. 体积小型化、形状多元化
  8. 穿透性、无屏障阅读
  9. 安全性

• Wifi

  • Wireless Fidelity，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2.4G UHF（特高频Ultra High Frequency，频率为300-3000MHz,1dm-1m）和5G SHF ISM（超高频，3-30GHz,1-10cm)
  • WiFi传输数据的方式和以太网不同，以太网是将数据转换成电子信号通过线缆传输，Wifi是通过无线波传输，波长短，覆盖范围小。

• ZigBee
  基于国际标准的低功耗局域网协议，是一种短距离、低功耗的无线通信技术，特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低速度速率。主要适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入到各种设备中，同时支持地理定位的功能

  • 特点
    • 低功耗，最低耗电待机模式下，2节5号干电池可支持一个节点工作6-24个月
    • 低成本，通过大幅精简协议，使得ZigBee成本很低，不足蓝牙十分之一
    • 低速率，ZigBee工作在250kbps的通讯速率当中，满足低速率传输数据的应用需求
    • 近距离，传输范围一般介于10-100m之间，在增加RF发射功率后，也可以增加到1-3km
    • 短时延，相应速度很快，一般从睡眠转到工作状态只需15ms，节点进入网络只需30ms
    • 高容量，可采用星状、树状和网状网络结构，由一个主节点管理若干子节点，最多一个主节点可管理254个子节点
    • 高安全，提供了三级安全模式，包括无安全设定、使用接入控制清单（ACL）防止非法获取数据以及采用高级加密标准（AES128）的对称密码
    • 免费频段，使用工业科学医疗（ISM）频段，915MHz（美国），868MHz（欧洲），2.4GHz（全球），无需支付频段使用费用
  • 网络架构和安全模式
    • 为了适应不同的应用场景，并确保在安全性、易用性、成本效益和电池寿命之间获得平衡，提供了两种网络架构和相应的安全模式：分布式网络和集中式网络
    • 分布式安全模式
      • 包括路由器和终端设备两种设备类型，系统较易配置。如果路由启动没有发现已有网络则自动生成分布式安全网络。分布式网络也称网状网络，由分布在不同地点的计算机系统互联而成，网中没有中心节点
      • 集中式系统，包括第三种设备类型——信任中心（Trust Center），通常实现在网络协调器，具备较高的安全性。集中式网络呈星形或树形拓扑，其中所有的消息都要经过中心节点交换机，各类链路都是从中心节点交换机发源

• LoRa

  • 是一种基于扩频技术的超远距离无线传输方案，是一种远距离低功耗的无线通讯技术，他的调制方式相对于其他通讯方式大大增加了通讯距离，可广泛应用于各种场合的远距离低速率物联网无线通信领域
  • 具有远距离、低功耗（电池寿命长）、多节点、低成本的特点

• SigFox

  • 是一种窄带或超窄带技术，具有双向功能，从端点到基站使用SigFox通信往往更好，但是从基站返回到端点的容量收到限制，因为端点上的接受灵敏度不如昂贵的基站那么好，需要廉价的端点无线电和更复杂的基站来管理网络
  • SigFox网络拓扑是一个可扩展、高容量的网络，具有非常低的能源消耗，同时保持简单和易于部署的基于星形单元的基础设施

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工信部发布《微功率短距离无线电发射技术要求》，明确了NB-IoT的地位，也意味着可以放弃LoRa和SigFox了

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通讯协议

MQTT

• Message Queuing Telemetry Transport,消息队列遥测传输
• 特点
  • 非常轻便
  • 代码量小
  • 能耗低
  • 实时协议
• 架构
  • MQTT使用的是客户端-服务器架构，也被称为协商器-客户端架构。可以把协商器称作物联网中间价。
• 应用过程
  • 在MQTT的物联网生态系统中，MQTT协商器就是把所有事物都可以练级在一起的盒子，周围有很多客户端用来接受和发送数据。
  • MQTT协议允许给客户端的相关数据信息设置标签，每一个标签代表不同的终端信息

CoAP

• Constraind Application Protocol，受限应用协议。
• 由于目前物联网中很多设备都是资源受限型的，所以只有少量的内存空间和有限的计算能力，传统的HTTP协议在物联网应用中就会显得过于庞大而不适用，于是就出现了基于UDP的CoAP协议
• CoAP基于表述性状态传递（Representational State Transfer，简称REST）软件架构风格，支持与REST进行交互，通常可以向使用HTTP协议一样使用CoAP协议来访问物联网设备。
• 特点
  • 基于REST架构
  • 基于轻量级的UDP协议，并且允许IP多播
  • 定义了带有重传机制的事务处理机制
  • 协议小巧，最小的数据包只有4个字节
  • 双层（事务层，请求/响应层）处理方式可支持异步通信
  • 支持块传输

MQTT与CoAP对比

• MQTT基于TCP，CoAP基于UDP
• MQTT是多个客户端通过中央处理进行消息传递的多对多协议，MQTT相当于消息传递的实时通讯总线，CoAP基本上是一个在Server和Client之间传输状态信息的单对单协议
• 如果利用现有Web服务器架构的设备，将使用CoAP。云架构，使用MQTT

NB-IoT与LoRa对比

• NB-IoT是专为物联网设计的窄带射频技术，LoRa是一种基于扩频技术的超远距离无线传输方案
• NB-IoT使用授权频段，全球主流是800MHz和900MHz，LoRa使用的是免授权ISM频段，但各国或地区的ISM频段使用情况是不同的，在中国，推荐使用470-518MHz。
• 移动网络的信号覆盖范围取决于基站密度和链路预算。NB-IoT具有164dB的链路预算，一般通信距离是15km，LoRa以其独有的专利技术提供了最大168db的链路预算，一般在城市为1-2km，在郊区最高可达20km
• NB-IoT相对于LoRa而言成本较高。LoRa构建基站和家庭网关价格便宜，但是NB-IoT升级现有的4G LTE基站的价格较高
• 应用场景各有千秋