一文看懂物联网通信技术

无线通信传输是实现万物互联的重要环节,其在传输速度及成本方面具有显著优势。今天我们将一起聊聊物联网无线通信的几种常见类型,了解其优势及应用。

你好! 物联网的无线通信技术种类繁多,从通信距离上可分为短距离(近距离)无线通信技术和低功耗广域网(远距离)通信技术。近距离通信技术包括Wi-Fi、蓝牙、ZigBee等,远距离通信技术以2G/3G/4G/5G、LPWAN(NB-IoT、eMTC、LoRa等)为代表。

LPWA又可细分为两类:一类是工作于未授权频谱的LoRa、SigFox等技术;另一类是工作于授权频谱下,3GPP支持的2/3/4G蜂窝通信技术,比如EC-GSM、LTE Cat-m、NB-IoT等。

短距离通信技术

在无线通信技术里,WI-FI、蓝牙、ZigBee这几项较早推出且已成熟应用于各领域。

在短距离无线传输上,受制于技术限制,物联网通信多以组合方式应用于智能家居、智能建筑等室内场景。

Wi-Fi

Wi-Fi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或5G SHFISM 射频频段。其覆盖范围广,数据传输速率快。但其传输安全性及稳定性较差,功耗略高,组网能力较差。

WI-FI适用于大数据量的传输,比如影音传输或者AR/VR等领域,同时也是一般无线网络的基础,缺点是耗电量大。

蓝牙技术

蓝牙多用于个人穿戴式装置,在声音领域的应用较为成熟;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域网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)。蓝牙技术最初由电信巨头爱立信公司于1994年创制,当时是作为RS232数据线的替代方案。蓝牙可连接多个设备,克服了数据同步的难题。其速率快、低功耗,安全性高,但网络节点少,不适合多点布控。

Zigbee

ZigBee则是在工业、建筑等自动控制应用中成果丰硕。

ZigBee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗局域网协议。根据国际标准规定,ZigBee技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率,主要适合用于自动控制和远程控制领域,可以嵌入各种设备。简而言之,ZigBee就是一种便宜的,低功耗的近距离无线组网通讯技术。

低功耗广域网(LPWAN)技术

无论是NB-IoT还是LoRa的网络都需要****无线射频芯片****来实现连接和部署。NB-IoT和LoRa都采用了星型网络拓扑结构,通过一个网关或基站就可以大范围地覆盖网络信号。NB-IoT工作在授权频段,基本上是运营商的市场,基站设备一般是由通信设备服务商提供。LoRa工作在免授权频段,任何企业都可以自己设计开发网关,自行组建网络。

在中国,在低功耗广域网领域,NB-IoT和LoRa无疑是最为热门的两种低功耗广域网(LPWAN)技术。两者形成了两大技术阵营,一方是以华为为代表的NB-IoT,另一方是以中兴为代表的LoRa。

以NB-IoT、LoRa为代表的低功耗广域网(LPWAN)为例,据悉,过去数年间,NB-IoT、LoRa作为物联网通信圈的“网红”,取得了高速发展。目前,NB-IoT和 LoRa的全球节点数均已超过2亿,而且被广泛应用于众多行业。其快速发展的一个重要原因在于,LPWAN技术不仅速率更高,且满足了分布广泛的数十亿物联网终端和传感器对电池供电的严苛要求。

无线通信技术对比

早期的物联网通信主要应用RFID等单向、半双工的通信技术,相对可以传递的信息量非常有限。随后,各类WLAN(无线局域网)技术例如蓝牙、ZigBee、WiFi等不断发展,使得工厂设备的感知和监测成为可能。但是,WLAN技术传输距离有限,难以做到长距离的数据采集。为了解决传输距离的问题,LPWAN(低功耗广域网)技术应运而生。

无线通信本身是一个多样化的市场,并没有任何一种技术可以解决所有问题,各通信技术各有千秋。面对不同的无线通信技术,企业需结合自身场景进行选择,切实解决痛点及需求。

NB-IoT

NB-IoT(Narrow Band Internet of Things,基于蜂窝窄带物联网)凭借低功耗、广覆盖、速率低、成本低等特点,成为时下最受追捧的一种无线连接技术。

NB-IoT(NarrowBandInternetofThings,NB-IoT,又称窄带物联网),是由3GPP标准化组织定义的一种技术标准,是一种专为物联网设计的窄带射频技术;

NB-IoT无线射频芯片/模组厂商

华为(HUAWEI)

NB-IoT芯片:Boudica120,Boudica150,Hi2110

描述:超低功耗SoC芯片,基于ARM Cortex-M0内核,搭载Huawei LiteOS嵌入式物联网操作系统,由台积电代工。

作为NB-IoT技术牵头者之一,华为是业界首家可以提供NB-IoT端到端解决方案的厂商。2016年9月份,华为推出了全球第一款正式商用的NB-IoT芯片Boudica120。Boudica150是华为的第二款NB-IoT芯片。

高通(Qualcomm)

NB-IoT芯片:MDM9206、MDM9207-1

描述:2015年10月底,高通推出了LTE调制解调器MDM9207-1和MDM9206,其中MDM9206支持LTE Cat M1(eMTC),但通过软件更新升级后,可实现支持NB-IoT/eMTC/GSM全球多模,能够兼容绝大多数国家和地区的移动通信网络。

联发科(MediaTek)

近日,联发科推出了首款NB-IoT系统单芯片MT2625,并携手中国移动打造业界尺寸最小 (16mm X 18mm)的NB-IoT通用模组。

采用上述不同厂商不同系列芯片的模组厂家有:上海移远通信技术有限公司(Quectel)、中移动物联网有限公司、深圳市广和通无线股份有限公司等。

NB-IoT优势及应用

NB-IoT技术优势:(1)海量连接:每小区可达10万连接;(2)超低功耗:电池寿命长达十年;(3)深度覆盖:能实现比GSM高20db的覆盖增益;(4)安全性:继承4G网络安全能力,支持双向鉴权以及空口严格加密,确保用户数据的安全性;(5)稳定可靠:能提供电信级的可靠性接入,有效支撑IoT应用和智慧城市解决方案。

NB-IoT市场应用:NB-IoT目前的主要被应用于智慧水表、气表、智能电网、智能停车、智慧工业、智能照明、智能家居、资产跟踪、宠物跟踪、智慧农业、家电、医疗、监控、自动售货、报警、共享单车、电子支付、可穿戴设备、户外运动、健康/环境检测等。

LoRa

LoRa(LongRange)是美国Semtech公司采用和推广的一种基于扩频技术的超远距离无线传输方案。LoRa网络主要由终端(可内置LoRa模块)、网关(或称基站)、Server和云四部分组成。

LoRa技术是Semtch公司的专利。为了让更多的厂商能够使用LoRaWAN技术,Semtech公司推出了IP授权计划。

IP授权计划是指Semtech公司将其知识产权授权给其他公司使用,让其他公司可以基于Semtech的技术和协议开发和生产相应的无线通信产品。Semtech公司的IP授权计划不仅包括LoRaWAN技术,还包括其他一些与物联网相关的技术和协议。

为了使用LoRa技术,厂商需要向Semtech公司申请IP授权,并遵守相关的技术标准和协议。只有经过授权并符合标准的产品才能够合法地生产和销售。否则,可能会面临知识产权纠纷和商业风险。

LoRa模组厂家需要获取Semtech公司IP授权吗?

LoRa模组厂家通常需要获取Semtech公司IP授权,因为LoRa技术涉及到Semtech公司的知识产权,包括芯片、协议栈和其他关键技术。Semtech公司会向合作伙伴授权其知识产权,并允许其使用和销售Semtech公司的LoRa产品。模组厂家如果需要生产和销售基于LoRa技术的模组产品,需要获得Semtech公司的IP授权,以避免侵犯知识产权和违反法律法规。

NB-IoT和LoRa使用频谱

概述

在中国,在低功耗广域网领域,NB-IoT和LoRa无疑是最为热门的两种低功耗广域网(LPWAN)技术。两者形成了两大技术阵营,一方是以华为为代表的NB-IoT,另一方是以中兴为代表的LoRa。国内两大电信服务商,引领了两种技术的发展,可谓是中国低功耗广域网(LPWAN)技术领域里的盛事。而低功耗广域网由于其低功耗广域覆盖的特点,正在推动物联网新一波发展的行情。

毫无疑问,无线电频谱是一种国家资源,是一种有限的资源,不可以再生,只能合理地利用。下面就看看两种技术使用的频段。

NB-IoT频段

NB-IoT使用了授权频段,有三种部署方式:独立部署、保护带部署、带内部署。全球主流的频段是800MHz和900MHz。中国电信会把NB-IoT部署在800MHz频段上,而中国联通会选择900MHz来部署NB-IoT,中国移动则可能会重耕现有900MHz频段。

下面是来自网络的一些信息:

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NB-IoT属于授权频段,如同2G/3G/4G一样,是专门规划的频段,频段干扰相对少。NB-IoT网络具有电信级网络的标准,可以提供更好的信号服务质量、安全性和认证等的网络标准。可与现有的蜂窝网络基站融合更有利于快速大规模部署。运营商有成熟的电信网络产业生态链和经验,可以更好地运营NB-IoT网络。

从目前来看,NB-IoT网络技术的只会由上面的网络运营商来部署,其他公司或组织不能自己来部署网络。要使用NB-IoT的网络必须要等运营商把NB-IoT网络铺好,其进度与发展取决于运营商基础网络的建设。

LoRa频段

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。下表是LoRa联盟规范里提到的部分使用的频段:

在中国市场,由中兴主导的中国LoRa应用联盟(CLAA)推荐使用了470-518MHz。而470-510MHz这个频段是无线电计量仪表使用频段。《微功率(短距离)无线电设备的技术要求》中提到:在满足传输数据时,其发射机工作时间不超过5 秒的条件下,470-510MHz频段可作为民用无线电计量仪表使用频段。使用频率是470-510MHz,630-787MHz。发射功率限值:50mW(e.r.p)。

由于LoRa是工作在免授权频段的,无需申请即可进行网络的建设,网络架构简单,运营成本也低。LoRa联盟正在全球大力推进标准化的LoRaWAN协议,使得符合LoRaWAN规范的设备可以互联互通。中国LoRa应用联盟在LoRa基础上做了改进优化,形成了新的网络接入规范。

结语

NB-IoT工作在授权频段,设备需要入网许可,干扰相对会少。LoRa工作在免授权频段,免授权频段的设备种类相对多,难免会受到其他无线设备的干扰。LoRa的优势在于其专利技术,即使在复杂的环境中依然能保持较高的接受灵敏度,抗干扰能力强。

LoRa和和NB-IoT的数据速率是不同的,LoRa数据速率可达50kbps,NB-IoT可达200kbps。两种技术的数据速率不同实际上也形成了不同的市场细分应用,可根据实际项目需求选择适合的技术。

NB-IoT和LoRa各有千秋,各有自己的优势。需要根据实际的项目需求情况及自身情况合理选择适当的技术。

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