IoT物联网之物联网通信

物联网通信

本文非原创，旨在于学习物联网相关知识。文中内容来自物联网与短距离无线通信技术教材，详情可以参考下面书籍。
董健 编著. 物联网与短距离无线通信技术(第2版).电子工业出版社.2016.9

物联网通信
本文总结了物联网的分层结构——端管云架构，在此重点研究物联网通信。通信是物联网终端连接云和应用层的关键。没有中间通信，就无法产生丰富的物联网应用。物联网通信将真实的物理世界与虚拟的数字世界连接起来，构成了物联网的基础。
物联网通信包含了几乎所有的通信技术，包括有线通信和无线通信。无线通信包括移动通信、无线通信、射频和微波通信等。

移动通信
移动通信是移动体之间或移动体与固定体之间的通信。运动物体可以是人，也可以是处于运动状态的物体，如汽车、火车、轮船、收音机等。移动通信具有覆盖广、建设成本低、部署快、服务开通方便等特点，已成为物联网通信的主要连接手段之一。移动通信具有受时间和空间限制少、实时性好等优点，因此得到了广泛的应用和迅速的发展。移动通信网络是广域通信网络，典型代表是移动蜂窝网络。中心基站负责终端设备的接入，然后和上层核心网一起完成数据传输。它融合了无线和有线通信的传输优势，满足了物联网应用场景下与固定终端或移动终端的通信需求。

移动通信的特点
①移动性:摆脱线缆约束，保持物体在移动状态下的通信，所以必须是无线通信，或者是无线通信和有线通信的结合；
②电磁波传播条件复杂:电磁波传播时会发生反射、折射、衍射、多普勒效应等现象，产生多径干扰、信号传播延迟、展宽等效应；
③严重干扰:互调干扰、邻道干扰、同频干扰等。移动用户之间；
④复杂的系统和网络结构:它是一个多用户的通信系统和网络，用户必须和谐工作，互不干扰。此外，移动通信系统要与本地电话网、卫星通信网和数据网互联，整个网络结构更加复杂。
⑤要求频带利用率高，设备性能好。
移动通信由于自身的特点，在传输过程中产生了三种不同的损耗和四种效应。三种损耗包括路径损耗、大范围衰落损耗和小范围衰落损耗。这四种效应包括阴影效应、远近效应、多径效应和多普勒效应。

移动通信的发展
移动通信的标志性发展是从我们熟悉的1G(模拟通信)到2G(GSM)、3G(CDMA)、4G(LTE)和5G。1978年，贝尔实验室开发了基于蜂窝的移动电话系统，建成了蜂窝移动通信系统，大大提高了网络容量，开始了第一代通信系统。在20世纪80年代，数字移动通信系统逐渐发展和成熟，大大增加了系统容量，并提供各种服务，如语音和数据。代表是欧洲的GSM网络。20世纪末，随着第三代移动通信的发展和推出，移动通信进入了一个全新的发展阶段。全球三大标准包括WCDMA、CDMA2000和TD-SCDMA。2010年左右，4G通信逐渐开始，典型代表是LTE和WiMax。4G增强了空中接口技术，并采用了OFDM和MIMO技术。2020年，5G逐渐开始商用，为物联网、AR、VR、自动驾驶等的实现提供了强有力的技术支持。
移动通信发展迅速，除了用户需求旺盛之外，还包括几个条件。首先，微电子的发展使通信设备小型化成为可能，各种通信终端不断推出，价格不断降低。其次，创造性地提出了蜂窝网络通信的概念。随着用户数量的增加，用户对数据传输速率的需求不断增加，区域系统提供的容量很快饱和。这时候必须要有新的通信系统与之结合。这方面的一个重要突破是贝尔实验室提出的蜂窝网络概念。蜂窝网也叫cell，实现了频谱复用，大大提高了容量，真正解决了公众通信的频谱资源矛盾。再次，微处理器技术的成熟和计算机技术的发展为大规模通信网络的管理和控制提供了技术支持。

无线通信
宽带无线接入技术能够以无线方式接入核心网，与有线接入技术具有相同的数据传输速率和通信质量。一些宽带无线接入技术也可以支持用户终端组成小规模的自组织网络。宽带接入技术广泛应用于高速互联网接入、信息家电联网、移动办公、军事、救灾、太空探索等领域。
1997年，国际电气和电子工程师协会(IEEE)定制了第一个WLAN标准IEEE 802.11。此后，IEEE 802.11迅速发展成为一系列标准，宽带无线接入技术在无线通信领域变得越来越重要。IEEE 802系列无线标准系统和应用场景如下图所示。

1.无线个人区域网
无线个域网(WPAN)是为实现小活动半径、丰富服务类型、面向特定群体和无线无缝连接而提出的一种新型无线通信网络技术。WPAN可以有效解决“最后几米电缆”的问题，进而将无线联网进行到底。
无线个域网位于整个网络的末端，比如连接手机、耳机等。覆盖区域一般在10m以内，必须在许可的无线频段内运行。WPAN可分为高速和低速。高速WPAN用于传输视频、图片等场景，低速WPAN用于仓库管理、物流跟踪、环境监控等场景。

2.无线局域网
基于IEEE 802.11标准的无线LAN允许在LAN环境中使用未授权的2.4 GHz或5.3 GHz无线电频带进行无线连接。
无线局域网的优点包括:灵活机动、安装方便、易于网络规划和调整、易于故障定位、易于扩展等。缺点包括:性能、速度、安全性等。WLAN需要解决的技术要求包括:可靠性、兼容性、速度、移动性、节能、小型化、低价、电磁环境等。

3.无线城域网
无线城域网(WMAN)是一种无线城域网，提供与互联网的高速连接。为了满足日益增长的宽带无线接入(BWA)的市场需求，引入了无线城域网。IEEE 802.16系列标准可以同时解决物理层环境(室外射频传输)和QoS问题，以满足BWA和“最后一公里”接入市场的需求。82.16采用OFDM技术，并不是所有的OFDM都一样。为了低功耗，802.11的OFDM设计为覆盖10米或100米，802.16的OFDM设计为高功率，可以覆盖几十公里。

4.无线广域网
WWAN是一种使用无线网络连接物理距离极其分散的局域网(LAN)的通信方法。WWAN连接具有很大的地理区域，通常是一个国家或一个洲，其目的是互连远程局域网。其结构分为两部分:端系统(两端用户集)和通信系统(中间环节)。IEEE 802.20是无线广域网的重要标准。
无线通信是通信领域发展最快的部分，同时通信的发展也越来越呈现出宽带传输、宽带无线和多样化服务的趋势。当基于光通信的核心网具有超高速、超大容量的特点时，接入网的建设成为电信网络发展必须解决的瓶颈。无线通信因组网灵活、升级方便而被业界看好，但其问题也很明显。WiFi、WiMax等无线技术具有接入速率高、成本低的特点，使得用WiFi、WiMax替代3G的呼声很高。但是考虑到很多因素，比如覆盖能力、速率能力、业务类型、前向扩展等。，WiFi和WiMax比竞争对手更有可能补充3G技术。
运营商一直想把宽带接入作为增长点，但由于没有建立有效的盈利模式，发展一直不尽如人意。因此，运营商、设备商和内容提供商必须寻求利益平衡，建立紧密的双赢合作关系。新技术的发展离不开相应的应用。正确处理技术与市场的关系，恢复适应市场需求的发展模式，也应该是宽带无线通信技术发展的成功之道。

短距离通信
到目前为止，学术界和工程界对此都没有严格的定义。一般来说，短距离无线通信的主要特点是通信距离短，覆盖范围一般在几十米或几百米以内；无线发射机发射功率低，一般小于100mw工作频率主要是通用工业科学和医疗(ISM)频段，免费使用。短距离无线通信范围很广。一般来说，只要发送方和接收方通过无线电波传输信息，传输距离限制在很小的范围内，通常在几十米以内，就可以称为短距离无线通信。短距离无线通信主要集中在局部区域建立临时物联网通信。
低成本、低功耗和点对点通信是短距离无线通信技术的三个重要特点和优势。
目前广泛使用的短距离无线通信技术有蓝牙、无线局域网802.11(Wi-Fi)、Zigbee和红外数据传输(IrDA)。同时，还有一些潜在的短距离无线技术标准，它们是:超宽带、近场通信(NFC)、60GHz通信、可见光通信等。这些技术在通信距离、速度或其他特征方面具有不同的特征。
需要指出的是，以上提到的短距离无线通信技术都有各自的特点，或基于传输速度、距离、功耗的特殊要求，或着眼于功能的扩展，或满足某些单一应用的特殊要求，或建立竞争技术的差异化等。两者相辅相成，共同存在，但没有一种技术能够完美到满足所有需求。

随笔

1. 物联网通信基础设施
   在网络融合的大背景下，某种应用想自己搞一套通信标准、通信设施是很困难的，也是不明智的。单独搞一套通信标准、设施不仅没有通信频谱，也会耗费巨大成本。通信作为国家基础设施，新技术必须生长在现有基础设施之上的才有发展前景。所以物联通通信结合了已有的移动、无线通信和有线通信，真正的把现有设施作为数据传输的管道，不用单独在设备连接、数据传输这方面花费太大成本。
2. 移动通信发展在生活中的体现
   简单的说，1G就是可以打电话，2G可以发短信，3G是一个过渡网络，提升了网速可以支持发视频、图片了，基本实现了移动互联网。但3G上网还是比较慢，4G网络更快，促进了社交网、移动互联网。5G网络速率再次质的提升、设备连接数更多、时延更小，可以实现物联网、自动驾驶、AR、VR等场景。
   1G之前的通信系统，就是电视里看到的民国时期两边打电话，中间有人专门接续。采用单工通信方式，两边分别说话，需要中间的人传递，采用专线的方式，全网容量极小。1978年蜂窝通信网，第一次解决了频谱复用问题，大大提高了网络容量，开始了第一代通信系统，从军用扩大到民用。1G典型场景是港片里面土豪用大哥大打电话。1G是模拟电路，2G采用了数字电路，大大提高了网络容量，促进了民用。从外观上看，2G手机比1G手机小很多，更省电，而且可以方便地收发短信。GMS是2G的通信标准。
   2G手机只能打电话、发短信，上网很困难。3G的通信标准将信息的传输率提高了一个数量级，这是一个飞跃，它使得移动互联网得以实现，从此手机打电话的功能降到了次要的位置，而数据通信，也就是上网，成为主要功能。但是，从1G到3G都存在一个大问题，那就是上网用的移动通信的网络和原来打电话用的通信网络虽然能够一定程度地融合，但本质上还是彼此独立的。3G时期标准众多，主流标准就有三个，4G使用了扁平的网络结构，使得3G标准趋于统一。5G到来后，基站更加密集，也变得小型化。
   移动通信发展史，吴军老师介绍的很清楚，可以参考下面的总结：
   https://baijiahao.baidu.com/s?id=1639570085764508641&wfr=spider&for=pc
3. 有线通信和无线通信
   顾名思义，有线通信就是通过线缆实现数据传输，无线通信是通过电磁波传输数据，包括移动通信和无线通信。有线通信传输速率更高，无线通信电磁波暴露在空中，容易被窃取，安全性较低。而有线通信有专门的线缆，相对安全一些。随着3、4、5G无线通信技术发展，无线传输速率也在不断增大，有线通信的场景也被无线通信替代或融合。当然有线通信也没有闲着，有线通信的速率也在不断提升，以光纤通信为代表的有线通信，被不可替代地用于骨干网、核心网。
   移动通信方面无线、有线有着近乎明确的通信负责范围。无线通信完成终端设备到基站的接入。密集的基站几乎覆盖了整个城市、农村地区，无线接入充分利用了无线通信的可移动性，不会让人在打电话的时候被绑在一个固定的地方。但是数据上了基站后，数据量很大，再使用无线通信已不可能，这时候有线通信就可以发挥高速率的优势。将骨干网、核心网的数据通过专用的光纤链路传输到另一个城市，大大节约了数据传输的时间和稳定性。数据到达另一个城市后在通过基站发送到另一个终端，这样一次数据传输就完成了。
   近年来，局部地区范围内使用无线通信逐渐成为趋势，良好的移动性摆脱了线缆的束缚，再加上速率提升，取代了很多有线通信的场景。例如之前电脑都是用网线连接上网，现在WiFi网速良好情况下，用户逐渐开始使用WLAN上网。城市安全监控设备在速率可以保障的情况下，也可以使用无线进行通信。这样大大方便了网络改造和建设。前面也说了无线的稳定性、安全性、速率等方面比有线差一些。所以单纯说有线好或者无线好是没有意义的，需要结合实际使用场景，最终肯定是无线和有线相互补充，选择最佳解决方案。