浅谈物联网技术之通信协议的纷争

【通信协议】本文针对于物联网场景中的一些通信协议和大家做一个简单的分享，希望能给大家带来更多启发。

发布时间：2018-03-23
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随着互联网的迅速发展，越来越多的信息孤岛已经实现了联通，在此基础上，实现万物互联已经不再是遥不可及的梦想。不知不觉间，我们在生活中已经开始接触物联网的相关技术甚至是产品。

下面我将针对于物联网场景中的一些通信协议和大家做一个简单的分享，希望能给大家带来更多启发。

▲ 本文思维导图概览

物联网架构

物联网的基本架构包括三个层面：感知层、网络层和应用层。

▲ 物联网架构图

感知层

通过传感器采集某些数据（声、光、电等），基于网络层的终端模组，对接到网络层的基站，实现数据采集后的传输。

网络层

负责将感知层采集的数据进行回传，基于不同特点采用不同的通信协议技术进行回传至关重要，这也是本文重点所讨论的内容。

应用层

可以理解为物联网的数据平台和业务平台。数据平台作为所有物联网终端数据的集合点，负责数据的统一存储、分析等，北向通过标准的API接口提供给业务平台做数据调用；业务平台基于数据平台的原始数据实现各种业务逻辑，对外呈现的是服务。

其中，聚焦于网络层的通信协议，则是群雄逐鹿，百家争鸣。

近距离通信技术

当下流行的Wi-Fi技术，数据传输速度飞快，尤其802.11ax技术即将诞生，理论上8条流不是梦。然而伴随速度的提升，耗电量急剧增大，且传输距离也成为难题，长距离传输需要每隔一定距离放一个AP进行桥接，必将大幅提升成本。因此，Wi-Fi技术更适合供PC及PDA等终端应用的室内无线上网场景。

蓝牙技术与Wi-Fi在2.4G频段上有交接，所以同频段会有一些干扰问题的产生。蓝牙的耗电情况比Wi-Fi稍微低一些，而传输速度远不及Wi-Fi。在资产追踪、定位标签以及医疗传感器等场景下应用较多，如智能手表，蓝牙定位等。

Zigbee技术的功耗比较小，通信距离也比较短，是一种短距离低功耗的技术，主要应用于无线传感器及医疗场景等。

UWB超宽带技术频段较为干净，没有其他频段的干扰，在高精度定位的场景下应用更多。

▲ 通信协议对比

以上技术更适合近距离场景的数据传输，那么在远距离场景下又有哪些技术呢？

远距离通信技术

运营商提供的4G网络，是人们生活中应用最多的，甚至超过Wi-Fi。它可以做到长距离传输，速度也很可观，不管在室内还是室外，这种技术看起来很优越。但其功耗较大，只能应用于终端可自取电的物联网场景，如某公司的共享单车，利用太阳能电池板进行取电。

在远距离场景下，如果终端不能解决供电问题，那么需要一种具有更低功耗，覆盖范围更大的技术来满足这个场景下的物联网通信需求。于是在业务和技术的驱动下，一些专家和企业为了解决这个问题，研究出一种新型的通信技术——LPWAN，即低功耗广域网技术。

LPWAN的目标是为物联网应用中的M2M（设备到设备）通信场景而优化的远距离无线网络通讯技术。LPWAN技术的优势主要体现在：低速率，超低功耗，长距离，低吞吐，强覆盖。这些特点恰好说明，此项技术正是针对物联网在长距离传输的场景下开发的。具体应用如：城区覆盖、远程抄表、井盖检测以及近海渔船检测等。

▲ LPWAN技术特点

LPWAN作为一个新的技术阵营，其内部分为两大派系：授权频段和非授权频段。授权频段又分为EC-GSM、eMTC以及NB-IoT；而非授权频段的“头牌”则是LoRa。

EC-GSM

随着LPWAN的兴起，传统的GPRS应用于物联网的劣势愈发明显。2014年，3GPP研究项目提出，将窄带（200kHz）物联网技术迁移到GSM上，寻求比传统GPRS高20dB的更广的覆盖范围，并提出五大目标：提升室内覆盖性能、支持大规模设备连接、减小设备复杂性、减小功耗和时延。到了2015年，TSG GERAN #67会议报告表示，EC-GSM已满足5大目标。但随着R13 NB-IoT标准冻结之后，人们将更多精力投入到了重新定义的标准当中。

eMTC

eMTC的概念在R13中被正式命名，以前的R12被称为Low-Cost MTC，它是基于LTE演进的物联网技术。eMTC基于蜂窝网进行部署，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的关键能力在于速率高（相较于GPRS、zigbee等）、可移动、可定位以及支持语音。

NB-IoT

最近特别火热的NB-IoT其实是NB-CIoT和NB-LTE两者的融合。NB-CIoT提出了全新的空口技术，较传统LTE网络改动较大，他满足于TSG GERAN#67会议上提出的五大目标，其亮点在于通信模块成本低于GSM及NB-LTE的模块。而NB-LTE则与现有的LTE兼容，特点是利于部署。在激烈的争论后，终于对两者加以融合，形成了NB-IoT的技术标准。

NB-IoT全称为窄带物联网，可以直接部署于LTE网络，良好的兼容性降低了部署的成本。其本身具有更低的功耗，理论上估算，承载NB-IoT的终端模组基于电池的待机时间可达10年之久。模块成本的降低，也让市场更多的公司开始应用这项技术，风靡全国的共享单车就是其一。某公司第三代的智能锁就采用了NB-IoT的模组，一方面是运营商的大力推广，另一方面也确实带来了价值。

LoRa

与NB-IoT齐头并进发展的就是LoRa，与之不同的是LoRa技术使用非授权频段。它是由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技术。LoRa全称是Long Range，顾名思义，LoRa可以支持长距离传输。在中国，LoRa可以使用的频段有两个：CN779-787以及CN470-CN510。由于CN779-787最大发射功率只有10dBm（10mW），并没有“实用”的价值。所以人们更青睐于CN470-CN510这个频段，它的最大发射功率可以达到17dBm（50mW）。

类比于Wi-Fi联盟，LoRa也有对应的LoRa联盟，旨为共同建立标准和规范，LoRaWAN就是这样的产物。

▲ LoRa与NB-IoT对比

基于成本的考虑，LoRa的模组单价在8-10美元左右，而且非授权频段也不需要支付额外的频谱成本，相比于NB-IoT而言，成本方面具有较大优势。在电池性能方面，由于NB-IoT在蜂窝授权频谱上工作，所以需要定时进行网络同步，会消耗相应的电量，而LoRa则无此担忧，但NB-IoT的这个特性也受到共享单车的热烈欢迎，可以基于此来做车辆的实时定位工作。另外，从商业模式上来看，NB-IoT属于运营商建网，业务方不需要自己来考虑基站的部署，比较省心；但与此同时，网络的质量、安全都是不可控的风险，且企业自身的增值也会受到一定阻碍。反观LoRa，属于企业自建网络，基站需自己部署，后续运维、优化等，覆盖的点位、网络质量及安全等维度都要自己负责。

截止目前，没有哪个物联网技术能够成为真正的主流，对技术本身而言，没有绝对的完美；从业务出发，更是需要结合业务特点、商业模式去选择更适合的物联网技术。

物联网技术的发展伴随各方“豪杰”群雄逐鹿，未来会不会三足鼎立或由新的势力一统天下，让我们拭目以待。

本文作者：刘洋

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