万物互连:物联网连接技术浅谈

导语

物联网(IOT/Internet of Things),是指将物与物的信息交互也接入到互联网中来,通过对具体事物进行标识、感知、信息传递和智能处理,在无需人工干预的条件下实现智能化识别、定位、跟踪、监测控制和管理,为人们提供智慧和简约的服务,在移动互联网时代,我们已经实现了人与人之间的无障碍信息传递,而借助于物联网技术,则可以真正实现万物互联,因此,物联网也被称为下一代互联网技术。然而即使是到了2017年的今天,虽然距物联网概念的提出已经过去了十几年的时间,物联网的发展仍然没有进入大规模产业化的阶段,甚至于连行业的标准制定都还没能统一,可以说物联网的发展仍是任重道远。

目前物联网的连接技术理念主要存在有两个发展方向,一个是短距离无线网络方案,包含 WIFI、蓝牙、RFID、ZigBee、DECT 等多种技术,其中以蓝牙 5.0 的呼声最高。另一个则是低功耗广域网络技术,就是专为低带宽、低功耗、远距离、大量连接的物联网应用而设计,包含多种技术,如 NB-IoT、LoRa、Sigfox、eMTC 等。其中 NB-IoT 是 3GPP 推出的标准技术,经过多次讨论、已成为了目前被全球广泛接受的全新窄带物联网技术标准,可谓是技术演进和市场竞争的综合产物。

一 蓝牙 5.0

 蓝牙 5.0 技术是由蓝牙技术联盟(Bluetooth SIG) 2016 年 12 月 06 日正式发布,SIG 组织是蓝牙技术的官方组织,它是由全球超过三万家公司加盟的非盈利机构,也是蓝牙商标的所有者。它以制定蓝牙标准、推动该技术的普及和发展为宗旨。

<center>BT 5.0</center>

蓝牙技术本身并不是什么新技术,蓝牙技术适用于无需额外无线基础设施的智能手机和平板电脑,可提供短距离、点对点连接,同时本身功耗也很低。各种蓝牙产品也随处可见,举凡移动设备、耳机、车机等各式消费或专业电子设备都能发现蓝牙的踪迹。然而却正是由于蓝牙 5.0 的发布,才使得蓝牙技术进入物联网行业的视野。这主要是由于蓝牙 5.0 相比于上一版本,有了以下特性的改变。

  • 2 倍传输速度的提升,BT 5.0 在之前 1Mbps 的 PHY 基础之上,增加了一个可选的 2Mbps 的 PHY。
  • 4 倍通讯距离的提升,在降低带宽提升通讯距离同时保持功耗不变,允许的最大输出功率从之前的 10mW 提升至 100mW。使得蓝牙发射和接受设备之间的理论有效工作距离增至 300 米。
  • 8 倍广播数据容量提升,从 BLE4.2 的 31 字节提升至 255 字节,并且可以将原来的 3 个广播通道扩展到 37 个广播通道,增加通道选择算法,同时允许无需配对接受信标的数据,比如广告、Beacon、位置信息等。

基于蓝牙 5.0 的技术,使得蓝牙信号覆盖范围更广,传输速度更快,连接更加稳定可靠。蓝牙 5.0 还有支持室内定位和导航的功能,结合 WIFI 可实现精确度小于 1 米的室内定位,并且蓝牙 5.0 还针对物联网的应用做了很多底层优化。

然而仅靠以上这些新特性,蓝牙 5.0 还不能说是物联网技术的完美解决方案,因为它没能很好的解决联网问题,各个蓝牙设备仍然是独立的个体,且无法直接接入因特网。于是在 2017 年 7 月 19 日,蓝牙技术联盟正式推出 SIG Mesh 标准,蓝牙技术开始全面支持 Mesh 网络。随着 SIG Mesh 标准的发布,可以说是补齐了蓝牙 5.0 技术在物联网应用上的最后一块短板,利用这项技术,可以实现设备的自组网连接,通过接入节点即可实现跟互联网相连,大大减少组网成本。

<center>Mesh 组网示意</center>

Mesh 网络可以使蓝牙设备直接或间接传输信息到接受信息所需的设备,这种网络架构相对稳定,整个系统不会由于单个设备的失效而无法顺利运行。由于蓝牙网状网络采用泛洪法从网络中的一个设备传输信息到所有的各个设备,与路由传输方法相比,这种方法需要较少的存储和较低的处理能耗,故而更节能。

二  NB-IOT

2014 年 5 月,在 GERAN 组"FS_IoT_LC"的研究项目中,主要有 3 项技术被提出,分别是拓展覆盖 GSM 技术、NB-CIoT 技术和 NB-LTE 技术。其中 NB-CIoT 由华为、高通和 Neul 联合提出,NB-LTE 由爱立信、中兴、诺基亚等厂家联合提出。最终,在 2015 年 9 月的 RAN#69 次全会上协商统一为 NB-IoT 技术。

<center>NB-IOT 技术演进</center>

从接入网络技术来看,NB-IoT 是在 LTE 基础上发展起来的, 其主要采用了 LTE 的相关技术,并针对自身特点做了相应的修改。 当 NB-IoT 与 LTE 并存部署时,下行链路上 NB-IoT 和 LTE 可以 做到互不影响。NB-IoT 可直接部署于已有的 GSM 或 LTE 网络中,即可复用现有基站以降低部署成本,实现平滑升级。NB-IoT 是可运营的电信网络,这是 NB-IoT 区别于 LoRa、SigFox 等技术的关键。

NB-IoT 具备四大特点:

一是广覆盖,将提供改进的室内覆盖,在同样的频段下,NB-IoT 比现有的网络增益 20dB,覆盖面积扩大 100 倍;

二是具备支撑海量连接的能力,NB-IoT 一个扇区能够支持 10 万个连接,支持低延时敏感度、超低的设备成本、低设备功耗和优化的网络架构;

三是更低功耗,NB-IoT 终端模块的待机时间可长达 10 年;

四是更低的模块成本,企业预期的单个接连模块不超过 5 美元。

<center>NB-IOT 网络部署</center>

因为 NB-IoT 自身具备的低功耗、广覆盖、低成本、大容量等优势,使其可以广泛应用于多种垂直行业,如远程抄表、资产跟踪、智能停车、智慧农业、公共监测、企业安防等。 

NB-IoT 的部署方式较为快捷、灵活,也可以部署在 2G/3G 网络。NB-IoT 单扇区支持 5 万个连接,比现有网络连接数高 50 倍,目前全球有约 500 万个物理站点,假设全球有约 500 万个物理站点,所有站点全部部署 NB-IoT,每站点三扇区共计可接入终端数将达 4500 亿个。 

三  RFID

无线射频识别技术 RFID(Radio Frequency IdentificationTechnology)是一种非接触式的自动识别技术,它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据。RFID 技术广泛应用于各行各业,日常生活中常见的门禁、食品、安防设备、交通系统都有 RFID 技术的应用。

RFID 系统的基本组成包括:

①读写器:读取(有时还可以写入)标签信息的设备,可设计为手持式或固定式;

②天线:在标签和读写器间传递射频信号;

③标签:由耦合元件及芯片组成,每个标签具有惟一的电子编码,附着在物体上标识目标对象;

每个标签都有一个全球惟一的 ID 号码 UID,UID 是在制作芯片时放在 ROM 中的,无法修改,标签根据其工作方式分为有源标签和无源标签两种。读写器对标签的操作有三类:识别(Identify),读取 UID;读取(Read),读取用户数据;写入(Write),写入用户数据。

<center>RFID 系统工作原理</center>

RFID 的工作频率分为低频和高频两类,低频系统工作频率通 常 小 于 30MHz,典 型 工 作频 段 为 125KHz、225KHz、13.56MHz 等。低频电子标签成本较低,标签内保存的数据量较小,读写距离较短,外形多样,读写天线方向性不强;高频 系 统 工 作 频 率 通 常 大 于 400MHz, 典 型 工 作 频 段 为 433MHz、915MHz、2.45GHz、5.8GHz 等。高频系统标签内保存的数据量较大,读写距离较远(可达几米至十几米),能适应物体高速运动,外形一般为卡状,读写天线及电子标签天线均有较强的方向性,但成本较高。

RFID 技术借助无线电原理,读写器可以无接触的跟电子标签进行数据通讯,同时还具备防水、防磁、耐高温、使用寿命长、读取距离大、数据可以加密、存储信息更改自如等优点,也可识别高速运动物体并可同时识别多个标签,操作方便、快捷。

后语

物联网发展到今天,各种技术方案呈现出百家争鸣,百花齐放的状态,短距离无线网络技术方案,重点在于解决室内定位和室内联网问题,是物联网通讯"最后一公里"的解决方案,瞄准的是智能家居,智能穿戴、智能商场、室内照明、智能工厂、智慧医疗等领域。在这一领域,除了上述的蓝牙和 RFID 技术,还有 Zigbee 技术也是一大分支,不过 zigbee 发展到如今,各大厂商的设备各自为营的情况比较严重,不同产商设备间互通性并不是很好,随着 Zigbee3.0 规范的发布,或许会给这一状况带来改善。而以 NB-IoT 为代表的低功耗广域网络技术则每个设备个体都能独立联网,典型的应用场景是无人介入,而又需要定期获取数据的情形,在建筑监测、智能表计、水域监测、科学测量、共享单车领域有很大的应用空间。

物联网终将会走入千家万户,囊括人类生活的方方面面,不管是当下还是将来,大一统的局面是很难出现的,物联网应用面对的是复杂的网络环境,必定是各种技术互补发展,通过低功耗广域网络和局域网络之间的"互补效应"才能带来最好的物联网体验。

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