物聯(lián)網(wǎng)入門須知的技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)是新一代信息技術(shù)的重要組成部分。傳感技術(shù)、嵌入式系統(tǒng)技術(shù)和通訊技術(shù)是物聯(lián)網(wǎng)的三個重要組成部分，其中，通訊技術(shù)是互聯(lián)網(wǎng)啊各單位之間進行信息傳輸和交流的物質(zhì)基礎(chǔ)，因為有了通訊技術(shù)物聯(lián)網(wǎng)才能實現(xiàn)與世界的互聯(lián)，本文主要介紹常用的幾種物聯(lián)網(wǎng)通訊方式。

LoRa

全稱“Long Rang”，是LPWAN一種成熟的通信技術(shù)，是美國公司的一種基于擴頻技術(shù)的低功耗超長距離無線通信技術(shù)，是Semtech公司私有的物理層技術(shù)，主要采用的是窄帶擴頻技術(shù)，抗干擾能力強，大大改善了接收靈敏度，在一定程度上奠定了LoRa技術(shù)的遠距離和低功耗性能的基礎(chǔ)?？傮w來看，LoRa是為了解決物聯(lián)網(wǎng)中M2M（物對物）無線通信的需求，主要是在全球免費頻段運行，包括433、470、868、915MHZ等非授權(quán)頻段的低功耗廣域接入網(wǎng)技術(shù)。

調(diào)制方式

采用的基于線性調(diào)頻信號（Chirp）擴頻技術(shù)，同時結(jié)合了數(shù)字信號處理和前向糾錯編碼技術(shù)，然后數(shù)字信號通過調(diào)制Chirp信號，將原始信號頻帶展寬至Chirp信號的整個線性頻譜區(qū)間，這樣大大增加了通信范圍。

通訊協(xié)議

基于LoRa技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議主要是LoRaWAN，定義了網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議和系統(tǒng)架構(gòu)，LoRaWAN的通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)是星狀網(wǎng)結(jié)構(gòu)，主要分為以下三種，第一種：點對點通信，從A點發(fā)起，B點接收;第二種：星狀網(wǎng)輪詢，一點對多點的方式，一個中心點和N個節(jié)點，由節(jié)點出發(fā)，中心點接收然后確認接收完畢，下一個節(jié)點繼續(xù)上傳，直到N個節(jié)點完成，一個循環(huán)周期;第三種：星狀網(wǎng)并發(fā)，也是一點對多點的通信，不同的是多個節(jié)點可以同時與中心點通訊，這就節(jié)約了節(jié)點的功耗，避免了個別節(jié)點的故障而引起網(wǎng)絡(luò)的癱瘓，網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性得以提高。

NB-IOT

Nb-IOT是可與蜂窩網(wǎng)融合眼睛的低成本電信級高可靠性、高安全性廣域物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。NB-IOT構(gòu)建于蜂窩網(wǎng)絡(luò)之上，只消耗180KHz的頻段，可以直接部署于GSM網(wǎng)絡(luò)，UMTS網(wǎng)絡(luò)和LTE網(wǎng)絡(luò)，NB-IOT采用的是授權(quán)頻帶技術(shù)，以降低成本，它具有四大優(yōu)勢，一：海量鏈接的能力，在同一基站的情況下，NB-IOT可以比現(xiàn)有無線技術(shù)提供50-100倍的接入數(shù)，一個扇區(qū)能夠支持10萬個連接，設(shè)備成本降低、設(shè)備功耗降低，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)得到優(yōu)化;二：覆蓋廣，在同樣的頻段下，NB-IOT比現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)增益提升了20db，相當(dāng)于提升了100倍的覆蓋面積;三：低功耗，NB-IOT借助PSM和eDRX可實現(xiàn)更長待機，它的終端模塊待機時間可長達10年之久;四：低成本，NB-IOT和LoRa不同，不需要重新建網(wǎng)，射頻和天線都是可以復(fù)用的，企業(yè)預(yù)期的模塊價格也不會超過5美元。

優(yōu)勢

強鏈接：

在同一基站的情況下，NB-IOT可以比現(xiàn)有無線技術(shù)提供50—100倍的接入數(shù)。一個扇區(qū)能夠支持10萬個連接，支持低延時敏感度、超低的設(shè)備成本、低設(shè)備功耗和優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

高覆蓋：

NB-IOT室內(nèi)覆蓋能力強，比LTE提升20DB增益，相當(dāng)于提升了100倍覆蓋區(qū)域能力。不僅可以滿足農(nóng)村這樣的廣覆蓋需求，對于廠區(qū)、地下車庫、井蓋這類對深度覆蓋有要求的應(yīng)用同樣適用。

低功耗：

低功耗特性是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用一項重要指標(biāo)，特別對于一些不能經(jīng)常更換電池的設(shè)備和場合，如安置于高山荒野偏遠地區(qū)中的各類傳感器監(jiān)測設(shè)備，它們不可能像智能手機一天一充電，長達幾年的電池壽命是最本質(zhì)的需求。NB-IOT聚焦小數(shù)據(jù)量、小速率應(yīng)用，因此NB-IOT設(shè)備 功耗可以做到非常小。

低成本：

NB-IOT無需重新建網(wǎng)，射頻和天線基本上都是服用的。舉個例子：就拿中國移動來說，900MHZ里面有一個比較寬的頻帶，只需要請出來一部分2G的頻段，就可以直接進行LTE和NB-IOT的同時部署。低速率、低功耗、低寬帶同樣給NB-IOT芯片以及模塊帶來低成本的優(yōu)勢。

TD-LTE

即time division long term evolution （分時長期演進），由3GPP組織涵蓋的全球各大企業(yè)及運營商共同制定，LTE標(biāo)準中的FDD和TDD兩個模式實質(zhì)上是相同的，兩個模式間只存在較小的差異，相似度達90%。TDD即時分雙工，是移動通信技術(shù)使用的雙工技術(shù)之一，與FDD頻分雙工相對應(yīng)。TD-LTE是TDD版本的LTE的技術(shù)，F(xiàn)DD-LTE的技術(shù)是FDD版本的LTE技術(shù)。

關(guān)鍵技術(shù)

多址技術(shù)

1. 采用OFDMA取代CDMA作為基本的多址技術(shù)

技術(shù)原理

采用循環(huán)前綴（CP）對抗符號間干擾，OFDM符號持續(xù)時間《信道可以等效為“線性時不變”系統(tǒng)，降低信道時間選擇性衰落對傳輸系統(tǒng)的影響。OPDM子載波的帶寬《信道“相干帶寬”時，可以認為該信道是“非頻率選擇性信道，所經(jīng)歷的衰落是“平坦衰落”?！?/p>

2. 上行SC-FDMA多址方式

TD-LTE系統(tǒng)中上行鏈路采用SC-FDMA技術(shù)，以期降低PAPR，提高攻放功率，延長電池壽命，DTE-S-OFDM可以認為是SC-FDMA的頻域產(chǎn)生方式，是OFDM在IFFT調(diào)制前進行了基于傅里葉變換的預(yù)編碼。

MIMO多天線解決方案

在多個天線上分別發(fā)送多個數(shù)據(jù)流，利用多徑衰落，在不增加帶寬和天線發(fā)送功率的情況下，提高信道容量及頻譜利用率，或提高數(shù)據(jù)的傳輸質(zhì)量。

優(yōu)點：

MIMO多種模式帶來多種收益：1.分集增益;2.波束賦星增益;3.空間復(fù)用增益

提高頻譜效率：要求TD-LTE的下行頻譜效率達到5kps/Hz，上行頻譜效率達到2.5bps/Hz。

TD-LTE中MOMI的應(yīng)用（PDSCH傳輸方案）

TM1.單天線端口傳輸

最簡單的傳輸方案，PDSCH使用單天線端口傳輸時，根據(jù)Port0上的CRS進行解調(diào)，可用于各種場景。

TM2.發(fā)送分集

用于增強小區(qū)覆蓋，作為TM3/4/5/6/7的回退模式，LTE中的實現(xiàn)方式SFBC+FSTD。

TM3.開環(huán)空間復(fù)用

一種大延遲（CDD）空間復(fù)用，接收端不需給發(fā)送端反饋預(yù)編碼矩陣信息，用于提高小區(qū)平均頻譜效率和峰值速率，適用于高速移動場景。

TM4.閉環(huán)空間復(fù)用

發(fā)送端需要給接收端反饋預(yù)編碼矩陣信息，用于提高小區(qū)平均頻譜效率和峰值效率，適用于低速移動場景。

TM5.多用于MIMO

只支持每個用戶單程的傳輸，而且最大支持兩層，用于提高小區(qū)平均頻譜效率和峰值速率。

TM6.閉環(huán)RANK=1的預(yù)編碼

用于增強小區(qū)覆蓋，盡可能承載相關(guān)的控制信息，僅支持RANK=1的傳輸。

TM7.單流波束賦形

PDSCH是依據(jù)port5上DRS進行調(diào)解的，用于提高小區(qū)邊緣用戶的覆蓋，單流波束賦形是基于專用導(dǎo)頻的非碼本波束賦形，主要用于TD-LTE系統(tǒng)。

TM8.雙流波束賦形

雙流波束賦形將波束賦形技術(shù)與空間復(fù)用技術(shù)相結(jié)合，既提高小區(qū)邊緣用戶的覆蓋，也可以提升小區(qū)中心用戶的吞吐量，雙流波束賦形是基于專用導(dǎo)頻的非碼本波束賦形，雙流波束賦形是TD-LTE Rel-9中的增強型技術(shù)。

藍牙4.0

藍牙是一種短程寬帶無線電技術(shù)，是實現(xiàn)語音和數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)娜蜷_放性標(biāo)準，它使用跳頻譜（FHSS）、時分多址（TDMA）、碼分多址（CDMA）等先進技術(shù)在校范圍內(nèi)建立多種通信與信息系統(tǒng)之間的信息傳輸。藍牙4.0是2010年7月份發(fā)布的，它將傳統(tǒng)藍牙、高速藍牙以及藍牙3.0版本規(guī)格集于一體的低功耗藍牙，功耗比之前版本降低了90%，具有極低的平均功耗，待機功耗和峰值功耗，設(shè)備建立時間縮短，由原來的100ms縮短至現(xiàn)在的3ms，藍牙4.0的傳輸距離可達100米以上，擁有AES-128加密方式，數(shù)據(jù)更安全。

關(guān)鍵技術(shù)

1. 藍牙的系統(tǒng)組成

無線射頻單元，負責(zé)數(shù)據(jù)和語音的接收和發(fā)送，具有短距離、低功耗的特點，且藍牙天線體積小、重量輕?；鶐Щ蜴溌房刂茊卧?，進行射頻信號、數(shù)字和語音的相互轉(zhuǎn)化，實現(xiàn)基帶協(xié)議和其他的底層連接規(guī)程。鏈路管理單元，負責(zé)管理藍牙設(shè)備之間的通信，實現(xiàn)鏈路的建立、驗證、鏈路配置等操作。藍牙軟件協(xié)議規(guī)范包括傳輸協(xié)議、中介協(xié)議、應(yīng)用協(xié)議等。

2. 藍牙核心協(xié)議

核心協(xié)議由基帶、鏈路管理、邏輯鏈路和適配協(xié)議及業(yè)務(wù)搜尋協(xié)議等4部分組成，它分為兩個或多個藍牙單元之間建立物理RF連接。

基帶協(xié)議就是確保各個藍牙設(shè)備之間的物理射頻連接，以形成微微網(wǎng)，這個協(xié)議可為亟待數(shù)據(jù)分組提供兩種物理連接方式，同步面向連接（SCO）和異步非連接（ACL），SCO可以傳輸語言分組也能傳輸數(shù)據(jù)分組，ACL只能傳輸數(shù)據(jù)分組。鏈路管理協(xié)議，管理基帶層內(nèi)主從網(wǎng)絡(luò)的運行，負責(zé)兩個多多個設(shè)備之間的鏈路設(shè)置和控制，包括傳遞驗證和加密，管理鏈路密匙。邏輯鏈路和適配協(xié)議，介于高層與底層的適應(yīng)層，直接為上層服務(wù)，主要負責(zé)聯(lián)兩個藍牙設(shè)備間數(shù)據(jù)信息傳輸時的分段及重組、多路復(fù)用和協(xié)商通道參數(shù)功能，服務(wù)發(fā)現(xiàn)協(xié)議，是藍牙技術(shù)框架中非常重要的一個部分，它使所有用戶模式的基石也使用SDP，可以查詢到設(shè)備信息和服務(wù)類型，然后藍牙設(shè)備之間的連接才能建立。