物联网无线技术LoRa、Wi-Fi、ZigBee、NB-IoT、蓝牙5.0技术盘点

LoRa

LoRa(长 距离)是由Semtech公司开发的一种技术，典型工作频率在美国是915MHz，在欧洲是868MHz，在亚洲是433MHz。LoRa的物理层 (PHY)使用了一种独特形式的带前向纠错(FEC)的调频啁啾扩频技术。这种扩频调制允许多个无线电设备使用相同的频段，只要每台设备采用不同的啁啾和 数据速率就可以了。其典型范围是2km至5km，最长距离可达15km，具体取决于所处的位置和天线特性。

LoRa芯片在整个产业链中处于基础核心地位，重要性不言而喻。值得注意的是，目前美国Semtech公司是LoRa芯片的核心供应商，掌握着LoRa底层技术的核心专利。而Semtech的客户主要有两种，一是获得Semtech LoRa芯片IP授权的半导体公司；二是直接采用Semtech芯片做SIP级芯片的厂商，包括微芯 科技 （Microchip）等。

Wi-Fi

Wi-Fi被广泛用于许多物联网应用案例，最常见的是作为从网关到连接互联网的路由器的链路。然而，它也被用于要求高速和中距离的主要无线链路。

大多数Wi-Fi版本工作在24GHz免许可频段，传输距离长达100米，具体取决于应用环境。流行的80211n速度可达300Mb/s，而更新的、工作在5GHz ISM频段的80211ac，速度甚至可以超过13Gb/s。

一 种被称为HaLow的适合物联网应用的新版Wi-Fi即将推出。这个版本的代号是80211ah，在美国使用902MHz至928MHz的免许可频段， 其它国家使用1GHz以下的类似频段。虽然大多数Wi-Fi设备在理想条件下最大只能达到100米的覆盖范围，但HaLow在使用合适天线的情况下可以远达1km。

80211ah 的调制技术是OFDM，它在1MHz信道中使用24个子载波，在更大带宽的信道中使用52个子载波。它可以是BPSK、QPSK或QAM，因此可以提供宽 范围的数据速率。在大多数情况下100kb/s到数Mb/s的速率足够用了——真正的目标是低功耗。Wi-Fi联盟透露，它将在2018年前完成 80211ah的测试和认证计划。

针对物联网应用的另外一种新的Wi-Fi标准是80211af。它旨在使用从54MHz到698MHz范围内的电视空白频段或未使用的电视频道。这些频道 很适合长距离和非视距传输。调制技术是采用BPSK、QPSK或QAM的OFDM。每个6MHz信道的最大数据速率大约为24Mb/s，不过在更低的 VHF电视频段有望实现更长的距离。
ZigBee

ZigBee，也称紫蜂，是一种低速短距离传输的无线网上协议，底层是采用IEEE 802154标准规范的媒体访问层与物理层。主要特色有低速、低耗电、低成本、支持大量网上节点、支持多种网上拓扑、低复杂度、快速、可靠、安全。ZigBee是物联网的理想选择之一。

虽然ZigBee一般工作在24GHz ISM频段，但它也可以在902MHz到928MHz和868MHz频段中使用。在24GHz频段中数据速率是250kb/s。它可以用在点到点、星形和网格配置中，支持多达254个节点。与其它技术一样，安全性是通过AES-128加密来保证的。ZigBee的一个主要优势是有预先开发好的软件应用配 置文件供具体应用(包括物联网)使用。最终产品必须得到许可。

ZigBee技术所采用的自组织网是怎么回事？举一个简单的例子就可以说明这个问题，当一队伞兵空降后，每人持有一个ZigBee网络模块终端，降落到地面后，只要他们彼此间在网络模块的通信范围内，通过彼此自动寻找，很快就可以形成一个互联互通的ZigBee网络。而且，由于人员的移动，彼此间的联络还会发生变化。因而，模块还可以通过重新寻找通信对象，确定彼此间的联络，对原有网络进行刷新。这就是自组织网。

NB-IoT

窄带物联网（Narrow Band Internet of Things, NB-IoT）成为万物互联网络的一个重要分支。NB-IoT构建于蜂窝网络，只消耗大约180KHz的带宽，可直接部署于GSM网络、UMTS网络或LTE网络，以降低部署成本、实现平滑升级。

NB-IoT是IoT领域一个新兴的技术，支持低功耗设备在广域网的蜂窝数据连接，也被叫作低功耗广域网(LPWAN)。NB-IoT支持待机时间长、对网络连接要求较高设备的高效连接。据说NB-IoT设备电池寿命可以提高至少10年，同时还能提供非常全面的室内蜂窝数据连接覆盖。

蓝牙50

蓝牙是一种无线传输技术，理论上能够在最远 100 米左右的设备之间进行短距离连线，但实际使用时大约只有 10 米。其最大特色在于能让轻易携带的移动通讯设备和电脑，在不借助电缆的情况下联网，并传输资料和讯息，目前普遍被应用在智能手机和智慧穿戴设备的连结以及智慧家庭、车用物联网等领域中。新到来的蓝牙 50 不仅可以向下相容旧版本产品，且能带来更高速、更远传输距离的优势。

摘　要：MANET因具有自组性、机动性及抗毁性而受到人们的高度关注。在阐述MANET的起源与发展及其工作原理的基础上，较全面详细地分析了MANET的关键技术；介绍了MANET在法军、美军通信中的应用。
关键词：MANET　关键技术　军事通信
中图分类号：TN911文献标识码：A　文章编号：1007-3973（2012）007-089-03
1 引言
MANET（Mobile Ad-hoc Network，MANET）起源于1971年美国夏威夷大学设计实现的第一个分组无线网络——ALOHA系统，在军事通信中具有广阔的应用前景。美国DARPA（Defense Advanced Research Project Agency）在1972年、1993年和1994年分别启动于分组无线网（PRNET,Packet Radio NETwork）、高残存性自适应网络SURAN和全球移动信息系统GloMo三个项目，取得丰硕的理论和应用成果，并一直持续深入研究PRNET技术。1991年成立的IEEE80211标准委员会使用术语“Ad Hoc网络”来描述这种特殊的自组织对等式多跳无线移动通信网络。1997年成立IETF MANET工作组，致力于MANET协议的标准化，加速推动了商用MANET的研发。
以局域网技术、数据分组交换技术为基础，MANET由一组带有无线收发装置的移动分组无线单元(Packet Radio Unit，PRU)组成，是一种多跳临时性移动通信网络。PRU由无线电台、天线和数字控制器组成。在MANET网络中传送的信息以分组为基本单元，每个分组包括包头和正文两部分。包头通常包括该分组在分组无线网中的源地址、目的地址和相关路由信息；正文部分则是需要传送的消息，正文部分可包含IP数据或其他数据。MANET不设中心站、采用分布式网络结构，每个节点均可作为源节点、目的节点或中继节点，且利用分组包头中的控制信息分包为每个分组选择传输合适的路由。
和依赖于固定基础设施的通信网络相比，MANET具有自身的特点和优点，近年来受到人们的广泛关注。
2 MANET的关键技术
不依赖于固定的基础设施、节点可能随时进入/离开网络、整个网络采用分布式结构运行，MANET有很多技术难点，其关键技术主要有：MAC协议、QoS保障、路由协议、功率控制、安全问题、网络互联和网络资源管理等。
21 MANET的MAC协议
链路层解决的主要问题包括介质接入控制以及数据的传送、同步、纠错和流量控制等，分为媒介访问控制层（MAC）和逻辑链路控制层（LLC）。MAC协议决定节点什么时候允许发送其分组，且通常控制对物理层的所有访问。
在MANET中存在隐藏终端和暴露终端问题，要在MAC层解决这两个固有问题，因而不能直接应用载波侦听多址访问（CSMA）协议（WLAN中使用最多的异步随机访问协议）。MANET的MAC协议有竞争协议、分配协议和混合协议三类。竞争协议使用直接竞争来决定信道访问权并通过随机重传来解决碰撞问题，在传输载荷轻的时候碰撞次数少、信道利用率高、分组传输时延小；但在传输载荷增大时，协议性能下降很快甚至致使网络崩溃。改进的竞争协议代表有：多址访问与碰撞回避（MACA）协议、信道获取多址访问（FAMA）协议、IEEE80211 MAC等。分配协议使用同步通信模式，时隙与节点的映射决定一个节点在其特定时隙内允许访问的信道。分配协议往往在中等到繁重传输载荷条件下运行良好，但信道时隙化导致在轻传输载荷条件下的时延相对于竞争协议是非常大的。分配协议有：五步预留协议（FPRP）、跳频预留多址访问协议（HRMA）等。混合协议能够保持所组合的各个协议的优点又能避免其缺陷，在传输载荷轻的时候表现为竞争协议的性能，而在传输载荷重的时候近似表现为分配协议的性能。典型的混合协议有：TDMA/CSMA混合协议、Meta-协议等。
22 路由协议
MANET设计中的一个关键问题是开发能够在两个节点之间提供高质量高效率通信的路由协议。Internet路由协议不能适应MANET网络节点的移动性和网络拓扑结构不断变化，专门的适用于MANET的路由协议应能够满足功能：能感知网络拓扑的变化、维护网络拓扑的连接、高度自适应的路由。IETF MANET已经完成的标准化路由协议主要有：主动式路由协议有最优化链路状态路由协议（OLSR）和基于反向路径转发的拓扑分发协议（TBRPF）；按需路由协议有按需距离矢量路由协议（AODV）和基于节点间相互关系的路由协议（ABR）；综合主动式路由思想和按需路由思想的路由协议称为混合型路由协议，有域路由协议（ZRP）和抢先式路由协议等。
分组无线网应用环境复杂多样，不同的应用环境追求不同的性能，这导致很难寻找MANET的最优路由协议。如：在军事应用中更关注系统的抗毁性、隐蔽性和保密性；而在无线会议系统中则更注重端到端的时延和吞吐量。不同类型的路由协议具有自身的优缺点，适应于不同的网络环境。不可能用一种路由算法作为标准的路由协议去比较好地解决所有MANET路由问题，路由算法的最优化石针对具体网络环境的工程化问题。混合型路由协议因其固有的灵活性，而具有很好的应用前景。
MANET的用户通常是具有协同工作关系的群体，而群组通信必须由多播路由协议提供通信支持。但有线网络环境中使用的多播路由协议(如：多播开放最短路径优先协议MOSPF等)在移动分组无线网中不再适用，因为动态的网络拓扑结构会导致分发树的破坏，而不得不因连接变化而调整。原达等提出了适用于移动分组无线网的多播路由协议。在移动分组无线网环境中，多播路由协议起着非常重要的作用。在协议中采用按需路由发现策略，动态建立路由信息及维持多播组成员关系。控制开销小、实现简单，能够适应较低带宽的大规模动态网络环境，具有稳定的分组转发成功率和良好的伸缩性，获得了较好的多播数据传输质量。

宽带网络：一般般指的是带宽超过155kbps以上的网络。
窄带网络：带宽低于155kbps的网络。
特点：以室内覆盖、低成本、低功耗和广连接；主要成本低，涉及数据少的时候用。

1从各种物联网军事应用中总结出的元件、组件、模块和功能的共性及区别；
2构建出的分层结构、接口、数据类型、连接关系等；
3在物联网军事应用领域中己经存在的以及需要重新统一的标准;
4物联网军事应用的共性要求和管理理念;
5不同军事应用的共同点;
6现在通用物联网军事应用架构和未来通用物联网军事应用架构;
7根据开发者的兴趣提供设计、分析和剪裁物联网设计的扩展。
通过分析物联网军事应用的特点，参考民用物联网系统相关技术理论，我们提出了由感知层、接入层、网络层、服务层、应用层组成的五层物联网军事应用的系统参考架构。 感知层
感知层主要组成包括二维码标签和识读器、RFID标签和读写器、摄像头、各种传感器(如温度传感器、声音传感器、振动传感器、压力传感器、磁敏传感器、阻力传感器、压电传感器等)。物联网感知层的主要功能是信息感知和原始数据采集，必要时辅助完成下行的末端物体控制。
感知层是物联网军事应用的基础，是物理世界和信息世界的衔接层，主要通过各类信息采集、执行和识别设备，采用射频识别技术、条形码技术、传感器技术、定位技术等，实现物理空间和信息空间的感知互动。根据用户具体需求，确定需要感知有限元培训公司的对象和采用的信息处理技术，同时实 接入层主要由基站节点或会聚节点和物联网接入网关等组成，完成末端各节点的组网控制和数据融合、会聚，或完成末梢节点下发信息的转发等功能。当末梢节点之间完成组网后，如果末梢节点需要上传数据，则将数据发送给基站节点，基站节点收到数据后，通过接入网关完成与承载网络的连接;当应用层和服务层需要下传数据时，接入网路由收到承载网络的数据后，由基站节点将数据发送给末梢节点，从而完成末梢节点与承接网络之间的信息转发与交互。
接入层接入层目前的接入手段主要有短距离无线接入、长距离卫星接入、有线接入等手段，其中无线入的功能主要由传感网(指由大量各类感器节点组成的自治网络）来承担。美军在通信骨干网的基础上，尤其强调对“最后一英里”接入网的建设，由此可见接入层的重要地位和作用。
网络层网络层是核心承载网络，承担物联网接入层与应用层之间的数据通信任务。网络层主要用于实现信息的传输和交换，提供广域范围内的应用和服务所需的基础承载传输网络，包括卫星通信网、移动通信网、骨干光纤通信网络及局部独立应用网络等。
不同网系、通信手段之间的随遇接入和无缝融合，形成端到端、对用户透明的传输与交换能力是网络层需要重点解决的问题。

nblot又称窄带物联网，它是物联网的一个重要的分支，它是由2014年5月最先被华为所提出窄带技术nbm2m和在2015年5月形成的nbclot，两者融合之后进一步形成nbiot。nbiot他是一个物联网中新兴新起的技术。相对于以往的物联网技术而言，nbiot具有者低功耗、高效率、且降低了部署成本、支持非常全面的蜂窝数据覆盖式连接。

物联网场景
物联网卡是运营商基于其物联网服务网络为有物联网需求用户提供的移动通信接入业务。主要满足用户在物物、物人连接中的通信需求，以此实现最终的信息交互。而窄带物联网卡是通过运营商部署的窄带网络，实现移动通信，因其更广的覆盖、更低的功耗得以应用。
那么窄带物联网卡都有哪些具体的应用场景呢？
智能路灯
传统路灯一般通过集中设置来实现灯的打开关闭及具体的开关时间，并且灯光亮度调整困难。而运营商物联网网络与平台的接入，可实现远程手机或电脑控制开关灯、自动定时开关灯、也可结合监控系统对当前人流量的统计实现路灯整体或个体亮度调节。还可以加载更多的智能设备，加入wifi系统，实现无线上网。加入空气质量监测系统，实现空气质量监控。加入充电桩，就是路边的充电站。
引入智能路灯系统，可实时监控路灯使用情况，实现远程监控、业务数据实时分析，提高运行效率，减少运维成本。终端设备有非正常情况，可自动向监控中心报警。同时通过更多智能设备的引入，实现多个功能的集成。
智能水表
传统的住宅小区使用人工抄表，不仅抄收数据烦琐，而且统计困难，工作效率低下，无法为计费、线损控制、用能分析等方面提供及时准确的数据。
部署物联网智能水表、智能气表等采集设备，建设智慧水务抄表/燃气抄表平台，实现远程抄表到户、管网实时监控、业务经营智能分析。远程控制功能中，可对水表进行开关阀 *** 作，实现远程水表开关 *** 作，存在水费拖欠的，可远程关阀。还可实现阶梯水价。
引入智能水表避免了人工抄表入户，提升抄表效率，运营商维护通信网络，减少维护成本，更低的功耗，更低的资费，更强的信号穿透，更加智能，可远程控制阀门、及时上报故障，计费也会更准确、更透明。
智能燃气表
引入智能燃气表系统，可实现使用和管理方双向数据的实时传输，实时获知燃气终端设备的运行情况，实现气表远程监控、数据实时分析。也可对气表终端进行远程控制，如开关阀门。可实现实时监控用户用气情况，实现阶梯气价。
智能停车
智能停车系统可提供车位实时信息，向出行者提供停车库具体位置、当前车位实时数据等信息指引驾驶员合理停车，同时通过动态信息标志把停车位和容量分散信息聚合而成的实时信息数据进行分析，辅助管理部门进行管理决策。可实现实时车位状态更新、空余停车位实时发布、停车入位引导、停车位预定、停车位查询、停车计费管理、设备故障、告警管理等多项功能。
井盖
当井盖被打开一定角度时智能井盖系统发出预警信号，通过窄带网络传输至中心机房井盖管理运维平台。系统进行大数据分析，确认警情后，实时预警并将信息推送至运维管理人员手机APP 端。运维管理人员以就近原则赶至现场查看处理，消除井盖异常带来的风险，并将处理情况通过手机APP反馈至井盖管理运维平台。
智能烟感
通过窄带网络组建联网型智能烟雾报警器，实现对公共场所及家庭住宅的火灾隐患区域监测。便于各地街道、居委等相关部门实时了解到现场情况，有效保障现场人身和财产的的安全。相对传统消防发现火情后再报警的方式，缩短了获得警情的时间。能够获取更多的现场信息，以便实施最佳的救援方案。消防设备故障也可实现自主上报。
智能烟感
窄带物联网以其自身的广覆盖、低功耗等优势获得了一些实际应用，但是目前还没有大范围批量应用，相信随着技术的成熟发展，会有越来越多的实际应用场景，功能体验也会越来越好。

物联网是指物物相连的互联网。还有另外一种说法就是：万物互联。涵盖Wi-Fi、蓝牙、ZigBee、2G/4G/5G、NB-IoT、 LoRa

 NB-IoT窄带蜂窝物联网

针对2G/4G/5G的缺点，一种新的技术诞生了，NB-IoT 窄带物联网，可直接部署于GSM网络、UMTS网络或LTE网络，以降低部署成本、实现平滑升级。

互联网

通过在物体上植入各种微型感应芯片、借助无线通信网络，与互联网相连接，可以让物体自己"说话"，不仅人可以与物体"对话"，物体与物体之间也能"交流"。

通信世界消息（CWW）物联网是“中国制造2025”的核心组成部分，而NB-IoT是目前物联网众多标准技术当中最热门、最被看好的一项技术。窄带物联网（NB-IoT）成为万物互联网络的一个重要分支。NB-IoT构建于蜂窝网络，只消耗大约180kHz的带宽，可直接部署于GSM网络、UMTS网络或LTE网络，以降低部署成本、实现平滑升级。

全球范围内的运营商都在寻找新的应用模式，物联网的迅猛发展给通信产业带来新的生机。与传统的蜂窝通信不同，物联网要求有海量的连接数、低的终端成本、低的终端功耗和超强的覆盖能力。物联网通信能否成功发展的一个关键因素是标准化。这些年来，不同行业和标准组织都制定了一系列物联网通信方面的标准，大的就有LTE

R12和R13的低成本终端Category0及eMTC，小的更是难以计数。但从至今的部署情况来看，无论从终端成本、终端能耗和穿透覆盖等方面，这些技术标准都难以与免授权频谱的LoRA,
Sigfox等技术相竞争。

NB-IoT的出现一下子带来了希望。NB-IoT从2015年9月在3GPP

RAN立项以后，得到全球大多数的运营商、系统设备商、终端厂商的关注和响应。R13的NB-IoT协议于2016年6月冻结，这标志着一个具有巨大商业前景的、世界范围统一的物联网通信标准已经产生，为今后物联网的发展提供了广大的先机。

三位作者针对中国的NB-IoT、乃至物联网的产业链发展会起到积极的作用创作的《窄带物联网：标准与关键技术》对LTE
R13
NB-IoT的整体协议做了比较详尽和全面系统的描述，涉及网络架构、物理层的各类信道、空口控制面、空口用户面、关键过程、射频指标和后续演进。不仅讲述协议中涉及的关键技术，而且对重要的、但未被采纳的候选技术也进行了对比，呈现部分标准化的过程。书中还配有大量的性能分析。

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