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智慧城市与物联网 – 无线传输技术

随着国内无线通信、物联传感等相关技术的快速发展,目前大量住房、酒店、商厦、办公楼智能化升级已经开始,人们慢慢开始适应更加智能化的日常工作和生活。不仅仅是民用方面,物联网技术也开始慢慢融入工业领域。

在实现物联网的短距无线通讯技术里面,蓝牙、Wi-Fi、zigbee 是目前应用最为广泛的三种短距无线通讯技术;而4G、5G、NB-IoT、Sigfox、LoRa是远距离无线传输技术的代表。

短距离传输技术

1.蓝牙:
蓝牙是一种设备之间进行无线通信的技术,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,蓝牙可连接多个设备,克服了数据同步的难题。蓝牙使用短波特高频(UHF)无线电波,经由2.4至2.485GHz的ISM频段来进行通信,通信距离从几米到几百米不等。
优点 :
“低功耗蓝牙”模式下实现了低功耗,覆盖范围增强,最大范围可超过100米
支持复杂网络:针对一对一连接最优化,并支持星形拓扑的一对多连接等
智能连接:增加设置设备间连接频率的支持,Ipv6网络支持。
较高安全性:使用AES-128 CCM加密算法进行数据包加密和认证。
蓝牙模块体积很小,便于集成。
可以建立临时性的对等连接(Ad-hoc Connection):根据蓝牙设备在网络中的角色,可分为主设备(Master)与从设备(Slave)。
缺点:
蓝牙的各个版本不兼容,组网能力差;网络节点少,不适合多点布控。

2.Wi-Fi:

Wi-Fi是一种无线局域网通信技术,全称Wireless-Fidelity,无线保真,IEEE组织的IEEE 802.11标准制定了以太网的技术标准。Wi-Fi终端指使用高频无线电信号发送和接收数据,使用以太网通信协议,通信距离通常在几十米,目前的标准已经更新到了802.11ax。

优点

Wi-Fi的优点是局域网部署无需使用电线,降低部署和扩充的成本。另外,根据Wi-Fi联盟指定,“Wi-Fi认证”是向后兼容的,它指定一套全球统一标准:不同于移动电话,任何Wi-Fi标准设备将在世界上任何地方正确运行。

缺点

Wi-Fi的缺点是通信距离有限,稳定性差,功耗较大,组网能力差,安全性也较差,抗干扰能力差,在工业领域无法有效应用。

远距离传输技术

随着智慧城市的发展,远距离无线传输技术的代表之一就是传统的人工抄表也将要被远程抄表所取代。无线远程抄表不但可以解决人工抄表所带来的弊端,还可以降低供电公司提高经营管理水平,提高工作效率,降低经营成本。

1.  4G、5G应用于物联网中的杰出代表Cat.1
共享单车,移动POS机等都可以是cat1的典型应用场景。Cat.1相比NB-IoT、2G模组在网络覆盖、速度和延时上具有优势,另外Cat.1具备一定的成本优势,例如网络建设上,现在LTE Cat.1可以无缝接入现有LTE网络当中,无需针对基站进行软硬件的升级,网络覆盖成本很低。芯片成本上,经过系统优化后,集成度更高,模组的硬件架构更简单,外围硬件成本更低。在时延方面,拥有跟LTE Cat.4相同的毫秒级传输时延,以及支持100KM/H以上的移动速度。
但它也存在与NB-IoT发展相似的问题,毕竟模组价格高低是能否快速起量的关键。目前的价格还是有点高, 相信经过一段时间,cat.1会得到蓬勃发展。

2. LoRa
LoRa调制解调:LoRa™ (Long Range,远距离)是一种调制技术,与同类技术相比,提供更长的通信距离。调制是基于扩频技术,线性调制扩频(CSS)的一个变种,具有前向纠错(FEC)。LoRa显著地提高了接受灵敏度,与其他扩频技术一样,使用了整个信道带宽广播一个信号,从而使信道噪声和由于使用低成本晶振而引起频率偏移的不敏感性更健壮。LoRa可以调制信号19.5dB低于底噪声,而大多数频移键控(FSK)在底噪声上需要一个8-10dB的信号功率才可以正确调制。LoRa调制是物理层(PHY),可为不同协议和不同网络架构所用-Mesh、Star、点对点等等。
lora终端之间可以形成自组网状态,通过集中器将数据上传到云平台中,适合终端分散,数据处理集中的场景。LoRa穿透力强,无线视距可达3公里,每个带有模块的终端均可以作为远程终端的中继点。无需布线,安装方便,数据传输稳定,计量数据可以在线监控,基于LoRa的远程系统,不仅具有易嵌入、组网容量大、低功耗、免费等优点,而且LoRa无线模块接收灵敏度高穿墙通信能力强,实测通信距离可达3公里以上,完美解决了小数据量在复杂环境中的超远距通信问题。

上述各种物联网无线通信技术都是旨在满足不同场景下各自的通信需求:

1,高功耗、高速率的广域网传输技术,如4G、5G蜂窝通信技术,这类传输技术适合于GPS导航与定位、视频监控等实时性要求较高的大流量传输应用。

2,低功耗、低速率的广域网传输技术,如Lora、Cat1、NB-IoT等,这类传输技术适合于远程设备运行状态的数据传输、工业智能设备及终端的数据传输等。

3、高功耗、高速率的近距离传输技术,如WIFI、蓝牙,这类传输技术适合于智能家居、可穿戴设备以及M2M之间的连接及数据传输。

4,低功耗、低速率的近距离传输技术,如ZigBee。这类传输技术适合局域网设备的灵活组网应用,如热点共享等。

目前,物联网无线传输技术的发展趋势是以低功耗广域网络为主。可以预计,在未来的几年时间,以Lora、Cat1、NB-IoT为代表的低功耗广域网络传输技术将逐渐成为物联网传输层连接技术的主流。



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