移动通信技术在物联网中的应用

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  曾经,在一次座谈会上,谷歌公司执行董事长埃里克·施密特大胆预言:互联网即将消失,一个高度个性化、互动化的有趣世界——物联网即将诞生。而随后的几十年间,物联网发展迅速。
  物联网的英文名称为"The Internet of Things”。顾名思义,物联网就是“物物相连的互联网”。在不断发展过程中,众多国内外机构与专家形成共识,物联网包含有两层意思:1、物联网的核心和基础是互联网,是互联网的一种延伸和扩展的网络;2、物品与物品之间可以进行信息交换和通信,也就是物与物相互传递信息的网络。因此,物联网的定义是通过传感器、控制器等设备,按约定的协议,把任何物品与互联网相连接,进行信息交换和通信,以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。
  从技术架构上来看,物联网可分为三层:感知层、网络层和应用层。
  感知层由各种传感器以及传感器网关构成,相当于人的眼耳鼻喉和皮肤等神经末梢,它是物联网获识别物体,采集信息的来源。网络层由互联网、有线和无线通信网等组成,相当于人的神经中枢和大脑,负责传递和处理感知层获取的信息。应用层是物联网和用户的接口,它与行业需求结合,实现物联网的智能应用。
  物联网的整个结构又可分为射频识别系统和信息网络系统两部分。射频识别系统通过RFID空中接口通信。而整个信息系统的运行都会借助Internet的网络系统或无线通信系统,利用已有的通信协议和描述语言。
  物联网的制式较移动通信网络复杂,而且一直处于不断进化的过程中,从GSM到GPRS,再到现在的eMTC/NBIoT。为了理清楚物联网不同制式的原理及特征,首先需要看一下物联网应用的主要业务。
  我们比较熟悉的通信技术包括WIFI、蓝牙、ZigBee等短距离无线通信技术和2G、3G、4G/LTE等移动蜂窝通信技术。短距离通信技术一般用于智能家居、工业数据采集等局域网通信场景,其优势是部署成本低、功耗低、传输速率高,但劣势也很明显---传输距离很短,一般几十米以内。而随着联网设备增多、设备的类型及应用场景更加丰富,越来越多的设备需要广范围、远距离的连接,如远程控制、物流追踪等。物联网中远程通信技术以往使用的是移动蜂窝网络。然而2G、3G、4G等蜂窝网络虽然覆盖距离广,但基于移动蜂窝通信技术的物联网设备有功耗大、成本高等劣势。当初设计移动蜂窝通信技术主要是用于人与人的通信,当前移动蜂窝网络的承载能力并不足以支撑物与物的连接。
  为满足越来越多远距离物联网设备的连接需求,LPWA应运而生。LPWAN(Low Power Wide Area Network),包含多种技术,如LoRa、Sigfox、Weightles和NB-IoT等。 LPWA业务的主要特征包括低功耗、低成本、低吞吐率、要求广(深)覆盖且所涉终端数量巨大,其典型应用包含抄表、环境监控、物流、资产追踪等,因为大部分物联网应用通常只需要传输很少量的数据,因此非常适合那些远距离传输、通信数据量很少、需电池供电长久运行的物联网应用。
  承载LPWA类业务的物联网通信技术包括:基于2/3/4G的物联网技术,如GSM、GPRS、LTE;基于LTE优化的物联网技术,包含针对成本进行了优化的LTE Cat 1、针对成本与功耗进行了优化的LTE Cat 0及eMTC技术;基于全新空口设计的物联网技术,如NB-IOT等。
  比如,最开始的共享单车的车锁,内置了GSM模块,原理是采用短信解锁,智能车锁和手机功能类似,用户手机扫描车上的二维码,用十秒左右的时间来进行短信的投递。于是十秒左右,车锁解开。这样的开锁方式,开锁时不需要耗费GPRS/3G流量。后续的共享单车开锁方式依次进行了技术更新,采用了由服务器通过GPRS/3G流量开锁的方式,开锁时间大大缩短,从原来的十秒,减少到了三秒,提升了用户体验。而且随着网络流量价格的降低,在频繁使用过程中要比短信更便宜,获取的信息量也更大。但4G通信模块成本过高,影响了GPRS技术在物联网中的进一步发展。GPRS技术后,又一个应用于物联网的通信技术就是蓝牙。通过业务层教研,手机下载指令加密包,再将包发送到蓝牙,从而完成解锁的。这是手机和车锁直接交互的一种短距连接方式。但目前采購的蓝牙芯片差异过大,兼容性不强,解锁失败率较高,严重影响了该技术在物联网中的发展。
  另一个不得不提的应用于物联网的移动通信技术就是华为主导的NB-IOT标准。NB-IOT是基于现有蜂窝网络的技术,华为称为“蜂窝物联网”。eMTC/NB-IoT聚焦于低功耗广覆盖(LPWA)物联网(IoT)市场,是一种可在全球范围内广泛应用的新兴技术。
  对于移动蜂窝通信市场,4G成功商用之后,5G的标准化、商业化都需要时间,因此在5G之前需要有一个技术来支撑运营商开拓物联网市场。同时,对电信运营商来说,物联网应用的ARPU值会比较低,因此从技术上来讲,应该让运营商很容易在现有基础上升级去支持。在这样的情况下,华为推出了NB-IOT(Narrow Band-IoT,窄带物联网)。NB-IOT技术能够提供百倍于4G的连接规模、百倍于2G的灵敏度、设备电池供电寿命同样可长达10年,使蜂窝网络极大地延伸了应用边界。据悉目前移动通信行业组织“3GPP”正在制定的NB-IOT的标准化工作。NB-IOT使用License频段,可与现有移动蜂窝网络共存。
  在物联网通信组网上,联合组网也许是个不错的方式,未来有更多的应用场景,也将使用到NB-IoT与eMTC互补,也才更能满足物联网应用的需求。
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