物联网传输协议总结笔记
在物联网协议中，我们一般分为两大类，一类是传输协议，一类是通信协议。传输协议一般负责子网内设备间的组网及通信；通信协议则主要是运行在传统互联网TCP/IP协议之上的设备通讯协议，负责设备通过互联网进行数据交换及通信。
物联网传输协议分为两类：
1、短距离局域网（LAN）无线技术。
1.1 蓝牙
蓝牙（Bluetooth）是一种无线技术标准，可实现固定设备、移动设备和楼宇、个人之间的短距离数据交换（使用2.4～2.485GHz的ISM波段的UHF无线电波）。2016年，蓝牙技术更新至5.0。蓝牙5.0在低功耗模式下具备更快更远的传输能力，传输速率是上代技术的2倍（速率上限为2Mb/s），有效传输距离是上一代技术的4倍（理论上可达300m），数据包容量更是上一代技术的8倍。同时，为了更好地服务物联网，蓝牙技术发展了一套Mesh网状网络，有别于传统的蓝牙连接的“一对一”配对，Mesh网络能够使设备实现“多对多”的关系。
子类：ibeacon一种通过低功耗蓝牙技术进行一个十分精确的微定位技术
ibeacon需要独立组网，信标需要电池。不用布线和充电。
1.2 Wi-Fi
人们目前所使用的Wi-Fi标准是由最早于1997年发布的802.11b演变而来，802.11b的速率仅为2Mb/s，1999年提出的802.11g将速率提升至11Mb/s。目前最新的802.11ax（Wi-Fi 6）理论最大速率为10Gb/s左右。
Wi-Fi有两种组网结构：一对多（Infrastructure模式）和点对点（Ad-hoc模式，也叫IBSS模式）。最常用的Wi-Fi是一对多结构的，例如日常使用的无线路由器是路由器+AP（接入点），可接入多个设备。此外Wi-Fi还可实现点对点结构，比如两台笔记本计算机可以用Wi-Fi直接连接起来不经过无线路由器。
传统的Wi-Fi使用2.4GHz频段，随着使用2.4GHz频段的设备越来越多，相互之间干扰增强，因此第五代Wi-Fi技术研制了运行在5GHz以上的高频段。理论上5GHz频段相较2.4GHz速率更高，但两者各有优缺点。2.4GHz穿墙衰减更少，传播距离更远，但使用设备多，干扰大；5GHz网速更稳定，速率更高，但穿墙等衰减大，覆盖距离小。
1.3 RFID
1.3.1 无源RFID
无源RFID标签，被称为被动RFID标签，在收到读卡器宣布的微波信号后，可以将部分微波能量转化为直流电供自己作业。当无源RFID标签靠近RFID读卡器时，无源RFID标签的天线将接收到的电磁波能量转化成电能，激活RFID标签中的芯片，并将RFID芯片中的数据发送出来。具有抗干扰能力，用户可自定义读写标准数据，在专门的应用系统效率更加快捷，识读距离可达10米以上。无源RFID，其完全依赖于接收电磁波来驱动电路工作，标签的可识别距离不会变化。
无源RFID标签内不含电池，它的电能从RFID读写器获取。当无源RFID标签靠近RFID读写器时，无源RFID标签的天线将接收到的电磁波能量转化成电能，激活RFID标签中的芯片，并将RFID芯片中的数据发送出来。
优点：体积小、重量轻、成本低、寿命长，可以制作成薄片或挂扣等不同形状，应用于不同的环境。
缺点：由于没有内部电源，因此无源RFID标签与RFID读写器之间的距离受到限制，通常在几米以内，一般要求功率较大的RFID读写器。
应用场景：跟踪或监控进出仓库的托盘、包装箱及货物的出货量。
1.3.2有源RFID
有源RFID，又称为主动式RFID，其作业电源完全由内部电池供给，与此同时也有部分电池的能量供给转换为电子标签与阅览器通讯所需的射频能量，通常支持远距离识别，其可识别距离会随着电量的减少而降低。
有源RFID标签由内置的电池提供能量，不同的标签使用不同数量和形状的电池。
优点：作用距离远，有源RFID标签与RFID读写器之间的距离可以达到几十米，甚至可以达到上百米。
缺点：体积大、成本高，使用时间受到电池寿命的限制。
应用场景： 人员定位、 资产管理、车辆管理、家校通系统
1.3.3 NFC
NFC设备也可以与一个无源的NFC标签之间进行通信，这个通信方式就和RFID是一样的。NFC技术是由RFID技术演变而来，除了通信协议，NFC标准还规定了数据交换格式。在NFC单一芯片上结合了感应式读卡器、感应式卡片和点对点的功能，能在短距离内与兼容设备进行识别和数据交换。
NFC（Near-Field Communication，近场通信）是一种短距高频的无线电技术，属于RFID技术的一种，工作频率在13.56MHz，有效工作距离在20cm以内。传输速率有106kb/s、212kb/s或者424kb/s三种。通过卡、读卡器以及点对点三种业务模式进行数据读取与交换。
NFC技术存在很多优点，例如通信保密性好、无功耗、方案的成本较低等，尤其NFC能够通过简单的碰触瞬间完成连接。但NFC的通信距离短、通信速率低等缺点，限制了其只适合特定的某些物联网应用。
1.4 ZigBee
ZigBee是一种可工作在2.4GHz（全球流行）、868MHz（欧洲流行）和915MHz（美国流行）3个频段上的无线连接技术，分别具有最高250kb/s、20kb/s和40kb/s的传输速率，它的传输距离为10～75m，但可以通过Mesh继续增加。ZigBee设备具有低功耗，数据传输速率低，兼容性高以及实现成本低等特点，需要建立zigbee基站，基站价格便宜，不到1000。
1.5 UWB
UWB（超宽带）技术是近年来新兴的一项全新的、与传统通信技术有极大差异的无线通信新技术。它无须使用传统通信体制中的载波，而是通过发送和接收具有纳秒或微秒级以下的极窄脉冲来传输数据，从而具有3.1～10.6GHz量级的带宽。通过在较宽的频谱上传送极低功率的信号，UWB能在10m左右的范围内实现数百兆比特每秒至数吉比特每秒的数据传输速率。
除了高传输速率外，UWB技术还有发射功率较低、穿透能力较强、抗干扰性能强等优点，在室内定位领域可得到较为精确的结果，广泛应用于小范围、高分辨率、能够穿透墙壁、地面和身体的雷达和图像系统中。除此之外，这种新技术适用于对速率要求非常高（大于100Mb/s）的LAN或PAN，需要建UWB基站。
1.6毫米波(属于传感器)
毫米波是波长 （λ） 约为 1 毫米（更准确地说是 1 至 10 毫米）的电磁波。使用公式f = c /λ将该波长转换为频率，其中c是光速 （3E8 m/s），得出的频率范围为 30-300 GHz。毫米波频段被国际电信联盟 （ITU） 指定为“极高频”（EHF） 频段。术语“毫米波”也经常缩写为“mmWave”。
毫米波的优点包括：
宽带宽、高数据速率、低延迟、小天线、范围有限、有限的反射、有限的渗透、提高分辨率。
由于频段高，干扰源很少，所以传播稳定可靠。因此，毫米波人体传感器是一种典型的具有高质量、恒定参数的无线传输信道的传感技术。
大多数的传感器无法区分人和静物，摄像机在明亮或黑暗的环境下无法检测到婴儿。而毫米波人体传感技术可以在极具挑战的环境条件下：如明亮的光线和黑暗中检测到人的位置，不受温度、烟雾、灰尘等环境影响。与其他传感技术不同,毫米波具有非接触性和非干涉性,全天时全天候检测，可以穿过塑料、干墙和衣服等材料,使传感器可以隐藏在面板背后,广泛应用于第三卫生间、母婴室、智能家居、智慧消防、智慧酒店、智慧办公等应用场景。
毫米波雷达检测呼吸、心跳的原理见下方连接：
通过探测由于目标微小振动所引起的在特定的Range bin的FMCW信号的相位变化。
基于毫米波雷达的心率、呼吸检测原理 - 知乎
1.7 对比
| 对比项 | 蓝牙 | Wi-Fi | NFC | ZigBee | UWB |
| 标准 | 5.0 | 802.11n | ISO/IEC18000-3 | 3.0 | IEEE802.15 |
| 频段 | 2.4~2.485GHz | 2.4/5GHz | 13.56GHz | 2.4GHz/868/915MHz | 3.1~10.6GHz |
| 工作范围 | 100~300m | 50~150m | <20cm | 10~75m | <10m |
| 最高速率 | 2MB/s | 150Mb/s(单载波) | 424kb/s | 250kb/s | 1Gb/s |
| 成本 | 低 | 高 | 低 | 低 | 高 |
| 应用范围 | 智能穿戴、智能家居等 | 室内或校园环境、智能家居 | 支付、门禁及智慧城市 | 智能家居、医疗及智能楼宇 | 雷达定位和图像系统 |
2、远距离低功耗广域网（LPWAN）无线技术。
低功耗广域网（Low Power Wide Area Network，LPWAN）技术。
LPWAN基本的四大能力：广覆盖、大连接、低功耗、低成本。
2.1 NB-IOT（需要插卡）
NB-IoT针对M2M通信场景对原有的4G网络进行了技术优化，其对网络特性和终端特性进行了适当地平衡，以适应物联网应用的需求。在“距离、品质、特性”和“能耗、成本”中，保证“距离”上的广域覆盖，一定程度地降低“品质”（例如采用半双工的通信模式，不支持高带宽的数据传送），减少“特性”（例如不支持切换，即连接态的移动性管理）。网络特性“缩水”的好处就是：降低了终端的通信“能耗”，并可以通过简化通信模块的复杂度来降低“成本”（例如简化通信链路层的处理算法）。所以说，为了满足部分物联网终端的个性要求（低能耗、低成本），网络做出了“妥协”。NB-IoT是“牺牲”了一些网络特性，来满足物联网中不同以往的应用需要。
部署方式：
为了便于运营商根据自有网络的条件灵活运用，NB-IoT可以在不同的无线频带上进行部署，分为三种方式：独立部署（Stand alone）、保护带部署（Guard band）、带内部署（In band）。
独立部署方式：利用独立的新频带或空闲频段进行部署，运营商所提的“GSM频段重耕”也属于此类方式。
保护带部署方式：利用LTE系统中边缘的保护频段。采用该方式，需要满足一些额外的技术要求（例如原LTE频段带宽要大于5Mb/s），以避免LTE和NB-IoT之间的信号干扰。
带内部署方式：利用LTE载波中间的某一段频段。为了避免干扰，3GPP要求该方式下的信号功率谱密度与LTE信号的功率谱密度不得超过6dB。
总的来说，采用独立部署的方式会有更好的频谱特性和信道容量。
从中国的三大运营商部署NB-IoT基站的情况看，由于中国联通没有较好的独立部署频带资源，中国电信和中国移动是NB-IoT的主要推动者。
2.2 Cat.X（需要插卡）
Cat4和Cat1都是4G通信LTE网络下用户终端类别的一个标准。
Cat全称LTE UE-Category ，Cat.X这个值就是用来衡量用户终端设备无线性能的，主要用来划分终端速率（等级）。数值越大，速率越大。
Cat.X 与4G的关系：都是一类协议，4G基站大多是以Cat.6-Cat.11的标准来建设的。
2008年，LTE的第一个版本R8（Release 8）中，除了有满足宽带多媒体应用的Cat.3、Cat.4、Cat.5等终端等级外，也有上行峰值速率仅有5Mb/s的终端等级Cat.1，可用于物联网等低速率应用。
eMTC的全称为enhanced Machine-Type Communication，增强型机器类型通信。还有一个名字，叫作LTE-M（LTE-Machine-to-Machine，LTE-机器到机器），机器之间用的LTE通信，适用于物联的LTE网络。Cat.M1，就是eMTC。
eMTC相比于NB-IoT，有五个优势：
· 速率高。之前我们说NB-IoT，总是会说，为了保证低功耗，所以速率很慢。但是eMTC不一样，它支持上下行最大1Mb/s的峰值速率。请不要小看这个速率，在保证覆盖和功耗的基础上，能达到这个速率已经很不错了。这个速率，足以支撑更丰富的物联应用，如低速视频、语音等。
· 支持移动性。NB-IoT的移动性差，只支持重选，不支持切换。所以，它一般都用于不怎么需要动的领域，如水表、电表及路灯井盖。但eMTC不同，它支持连接态的移动性，物联网用户可以无缝切换，保障用户体验。因此，eMTC更适用于如智能手表这样的可穿戴设备。
· 可定位。基于TDD的eMTC，利用基站侧的PRS测量，在无须新增GPS芯片的情况下就可以进行位置定位。这样一来，更有利于eMTC在物流跟踪、货物跟踪等场景的普及。
· 支持语音，支持VoLTE。因此，eMTC可被广泛应用到与紧急呼救相关的物联网设备中。
· 支持LTE网络复用。eMTC可以基于现有LTE网络直接升级部署，和现有的LTE基站共站址共天线。省钱才是硬道理。eMTC利用这个优势，可以实现低成本的快速部署，有利于运营商抢占市场先机。
缺点：eMTC也不是每个方面都强于NB-IoT，在覆盖能力和模组成本方面，eMTC是不如NB-IoT的
参数对比
CAT1 与CAT4应用场景对比
CAT1的应用场景：穿戴式设备、智能家电、工业传感器、水文水利的检测、港口物流跟踪。共享支付类。对于宽带速率要求不高，同时又对是电池供电。对功耗与数据传输稳定性要求都很高。
CAT4的应用场景：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。
2.3 Sigfox
Sigfox是一种低成本、可靠性高、功耗低的解决方案，用于连接传感器和设备。通过专用的低功耗广域网络。
数据传输流程
用户设备发送带有应用信息的Sigfox协议数据包，附近的Sigfox基站负责接收并将数据包回传到Sigfox云服务器，Sigfox云再将数据包分发给相应的客户服务器，由客户服务器来解析及处理应用信息，实现客户设备到服务器的无线连接。
Sigfox协议特点
· 低功耗。极低的能耗，可延长电池寿命，典型的电池供电设备工作可达10年。
· 简单易用。基站和设备间没有配置流程、连接请求或信令，设备在几分钟内启动并运行。
· 低成本。从设备中使用的Sigfox射频模块到Sigfox网络，Sigfox会优化每个步骤，使其尽可能具有成本效益。
· 小消息。用户设备只允许发送很小的数据包，最多12B。
· 互补性。由于其低成本和易于开发使用，客户还可以使用Sigfox作为任何其他类型网络的辅助解决方案，如Wi-Fi、蓝牙、GPRS等。
使用的技术：
UNB（Ultra-Narrow Band）超窄带技术：Sigfox使用192kHz频谱带宽的公共频段来传输信号，采用超窄带的调制方式，每条信息的传输宽度为100Hz，并且以100b/s或600b/s的数据速率传输，具体速率取决于不同区域的网络配置。UNB技术使Sigfox基站能够远距离通信，不容易受到噪声的影响和干扰。系统使用的频段取决于网络部署的区域。
Sigfox的传输距离可达50公里。
对比：Sigfox需要移动服务商的基站设备，在移动信号覆盖不到的偏僻和地下区域，例如采矿和隧道挖掘等地下作业、山区、西北无人区的工矿业等，这种情况Sigfox无法使用。而LoRa不必通过运营商的基站，因此没有地域限制，你可以自己搭建和管理网络，而且成本低。国内基本没有Sigfox的基站（一到两个基站），所以国内基本没有用Sigfox协议的。
2.4 LoRa
LoRa的字面意思是远距离（Long Rang）.
LoRa的优势：远距离、抗干扰、低功耗、大容量、灵活部署、轻量级、低成本、抗频偏等多种优势。
LoRa的特性
传输距离：城镇可达2-5 Km ， 郊区可达15 Km 。
工作频率：ISM 频段 包括433、868、915 MH等。
标准：IEEE 802.15.4g。
调制方式：基于扩频技术，线性调制扩频（CSS）的一个变种，具有前向纠错（FEC）能力，semtech公司私有专利技术。
容量：一个LoRa网关可以连接上千上万个LoRa节点。
电池寿命：长达10年。
安全：AES128加密。
传输速率：几百到几十Kbps，速率越低传输距离越长，这很像一个人挑东西，挑的多走不太远，少了可以走远。
应用场景
1）蜂窝信号弱或不可用场景
2）功耗、距离要求严格的应用
3）私有／企业网络
LoRa与NB相比，LoRa的终端和基站成本低。
针对短距离局域网应用，LoRa与ZigBee、BLE（蓝牙低能耗）、Wi-Fi相比，LoRa的优势还是在于工作距离、功耗、网络容量和抗干扰；最大的缺点在于带宽。
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