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物联网常见协议基础学习

article 2025/2/24 5:22:36

国家规划

2020.5，工信部印发《关于深入推进移动物联网全面发展的通知》：正式提出了2G/3G迁移转网的目标，并引导新增物联网终端不再使用2G/3G网络，推动2G/3G物联网业务迁移转网，实现NB-IoT（窄带物联网）、4G（含LTE-Cat1，即速率类别1的4G网络）和5G协同发展的移动物联网综合生态体系（“631”架构）：
- NB-IoT满足大部分低速率场景需求；
- LTE-Cat1（以下简称Cat1）满足中等速率物联需求和话音需求；
- 5G技术满足更高速率、低时延联网需求。

宏观认知物联网协议

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非蜂窝物联网现状及问题
- 基于非授权频段
  - 存在干扰问题，导致传输可靠性降低。
  - 传输安全性低。
  - LoRa、Sigfox，产业规模小，无法形成规模市场效应。
- 自组网。WiFi、Zigbee等短距离通信技术，覆盖能力弱，一般采用两级组网方案，配置复杂，维护/使用门槛高。
运营商切入物联网的优势
- 基于授权频段：传输可靠性高、安全性高
丰富的网络运维经验
- 提供网络部署和维护，实现终端即插即用，降低业务部署门槛

无线通信技术对比（2022年）

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从数据速率、传输范围认知

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3G、4G、5G以及NB-loT、LoRa、SigFox这些通信技术，覆盖范围广（>10km），大部分工作在授权频谱上面（LoRa,SigFox除外），大部分由运营商主导，一般适用于整个城市的覆盖。
WiFi、Bluetooth、BLE、Zigbee、Z-Wave覆盖范围窄（<100m），主要应用与家庭、楼道等场景。

NB-IoT

窄带物联网（Narrow Band Internet of Things），无线通信技术，NB-IoT使用授权频段，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。
特性：覆盖广、功耗低、成本低、连接多。
应用场景：可满足低功耗、长待机、静态或非连续移动、广覆盖、大连接的非实时传输或低速率、时延敏感性低业务。如自主报告业务（烟雾报警器、智能停车、宠物跟踪）、自主周期报告业务（燃气、水务智能抄表）、网络指令业务类型（远程设备控制）、软件更新业务（远程软件更新）。

Cat.1

Cat.1的全称是LTE User Equipment - Category 1，是LTE网络下用户终端设备的无线性能的一种分类。由于Cat.1完全隶属于4G系列，完全可以直接复用4G现有网络资源。
- 2009年发布的3GPP Release 8中定义了LTE Cat.1。
- 2016年发布的3GPP Release 13中定义了LTE Cat.1 BIS，在LTE Cat.1的基础上删除对分集天线的支持。
- 2017年LTE Cat.1 BIS正式成为LTE单天线UE等级。
用于4G老年机、可穿戴设备

ZigBee

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ZigBee，也称紫蜂。是一种低速、短距离传输的无线网通信协议。从下至上依次为：
- 物理层，采用802.15.4标准规范，主要是做无线电的收发管理（大部分硬件收发不能同时进行），调制解调、信道检测、链路状态检测、信号强度检测、功率调节等功能，通常由芯片或硬件实现。可工作在915MHz、868MHz、2.4GHz三个频段。
  - 2.4GHz为全球通用频段，每5MHz一个信道，一共16个信道，编号11到26，最大传输速率250Kbps。WiFi也可以工作在2.4GHz，WiFi信道带宽通常是20MHz、40MHz。Zigbee与WiFi在同一空间工作，可能会存在干扰。如Zigbee网关同时具备WiFi信号和Zigbee信号，需单独处理信号共存问题。
  - 868MHz，只有一个信道，编号0，最大传输速率20Kbps。主要用于英国的电表，水表、Smart Energy应用。
  - 915MHz，北美地区使用的频段，每2MHz一个信道，一共10个信道，编号1到10，最大传输速率40Kbps。
- MAC层，采用802.15.4标准规范主要是数据收发、重传、扫描、安全功能（加密、校验）等功能，通常由软件+硬件实现。
- 网络层，负责路由、设备状态维护、子结点管理。
- APS子层（Application Support Sub Layer），负责端到端的重传和确认、安全功能（加密、校验）。
- 应用层，包括ZDO和用户应用。ZDO（Zigbee Device Object）指特殊应用，用于Zigbee设备管理；用户应用，即用户需专注开发实现的应用。
特点：低速、低耗电、低成本、低复杂度、支持大量网上节点、支持mesh拓扑（没有中心节点）、碰撞避免机制。
应用场景：常用于传输控制命令、传感器采集的数据
2006年，Zigbee联盟推出3.0标准（强制标准），统一了智能家居、智能照明、智能楼宇等不同应用层的标准。