一、無線通信技術的幾大主流分類

　　1.美國通信委員會(FCC)分類

　　2015年，美國通信委員會(FCC， Federal Communications Commission)技術咨詢委員會(TAC, Technological Advisory

　　Council)網絡安全工作組在一份白皮書中提到了將物聯網通信技術分成了以下四類：

　　Mobile/WAN，Wide Area Network-移動廣域網絡，覆蓋范圍大

　　WAN，Wide Area Network-廣域網，覆蓋范圍大，非移動技術

　　LAN，Local Area Network-局域網，覆蓋范圍相對較小，如住宅、建筑或園區

　　PAN，Personal Area Network-個域網，覆蓋范圍從幾厘米到幾米不等

　　主要的無線技術及分類如下表所示：

　　不知為何，FCC TAC將Sigfox歸入了LAN，而LoRaWAN歸入了WAN。Sigfox與LoRaWAN都同屬于LPWAN領域中的窄帶技術，都是可以廣域覆蓋。Weightless SIG在LPWAN領域中主推的將會是Weightless-P。NB-IoT也沒有列入其中。新的技術在不斷出現，也在不斷地重塑物聯網市場的格局。

　　2.KEYSIGHT分類

　　在KEYSIGHT的一份PPT中《Low Power Wide Area Networks,NB -IoT and the Internet of Things》，將IoT無線技術做了比較詳細的劃分，如下圖所示：

　　KEYSIGHT按照10cm、5km、100km通信范圍或距離，將無線通信技術分成了三大類。

　　3.近距離和遠距離

　　從上面的分類可以看出無線通信技術基本都還是以覆蓋范圍或通信的距離來分類的。小編稍加整理，將通信技術分成近距離和遠距離通信技術兩大類，如下圖所示：

　　窄帶廣域是這兩年發展最為迅速的領域，NB-IoT和LoRa在中國的網絡化建設正如火如荼地進行。但是傳輸效果并沒有一份完整的歷史參考性，也是多用于偏民用領域。例如：智能泊車系統。在我國近距離的無線通信技術相對成熟，產業鏈比較完善。無線產品質量參差不齊，價格差距也比較大，所以在購買的時候還需要根據具體的用途去選購產品。 如果是個人實驗來用，挑選價格較低的產品就可以滿足。如果是要用于工業制造場合并且需要長期使用的，則應該選擇大品牌的無線產品。有句話說得好：一分價錢一分貨，穩定可靠的產品內部核心硬件的質量首先就是最大的穩定性保障。

　　4.國際電機電子工程學會(IEEE)

　　國際電機電子工程學會定義了一些標準，如關于局域網和城域網的IEEE 802系列標準，也成為了一些物聯網技術的基礎。

　　這些主要的標準有：

　　IEEE 802.11 Wireless LAN (WLAN) & Mesh (Wi-Fi certification)

　　IEEE 802.15 Wireless PAN

　　IEEE 802.15.1 Bluetooth certification

　　IEEE 802.15.3 High-Rate wireless PAN (e.g., UWB, etc.)

　　IEEE 802.15.4 Low-Rate wireless PAN (e.g., ZigBee, WirelessHART, MiWi, etc.)

　　IEEE 802.15.6 Body area network

　　IEEE 802.11 定義了用于在900MHz、2.4GHz、3.6GHz、5GHz和60GHz頻段實現無線局域網(WLAN)計算機通信的一組媒體訪問控制(MAC)和物理層(PHY)規范，也是現在無線局域網通用的標準。

　　IEEE 802.15 規定了無線個人區域網絡(WPAN)標準，有10個主要的領域。

　　IEEE 802.11ah 又稱為“Wi-Fi HaLow”，是定義在900MHz免授權頻段的WLAN網絡。相比2.4GHz和5GHz的Wi-Fi，功耗更低，距離更遠。11ah可用于包括大規模傳感器網絡的各種應用。

　　IEEE 802.15.4c 中國的WPAN，增加了新的RF頻譜規格：314-316MHz, 430-434MHz, 779-787MHz

　　IEEE 802.11p 這個通信協議主要用在車用電子的無線通信上。是在IEEE 802.11基礎上的擴充延伸，主要面向智能運輸系統(Intelligent Transportation Systems，ITS)的相關應用。

　　IEEE 802.15.4 是低速率無線個域網(LR-WPAN)的技術標準。它是ZigBee/ISA100.11a/WirelessHART/MiWi和Thread等技術的基礎,這些技術都通過開發在IEEE 802.15.4中未定義的上層進一步擴展了標準。另外,它可以與6LoWPAN一起使用來定義上層。

　　感知技術將數據收集起來，傳輸層則負責將各類信息進行傳遞和處理。物聯網傳輸層技術根據距離主要可以分為近距離無線通信技術和遠距離無線通信技術。其中，近距離無線通信技術主要包括RFID、NFC、ZigBee、Bluetooth、WiFi等，典型應用如智能交通、智能物流等。廣域網通信技術一般定義為LPWAN(低功耗廣域網)，典型應用如LoRa、NB-IoT、BTA-OIT(自組網)、2G/3G蜂窩通信技術、LTE、5G技術等。

　　一、Bluetooth

　　藍牙技術(Bluetooth)是由東芝、IBM、Intel、愛立信和諾基亞于1998年5月共同提出的一種近距離無線數字通信的技術標準。Bluetooth技術是低功率短距離無線連接技術，能穿透墻壁等障礙，通過統一的無線鏈路，在各種數字設備之間實現安全、靈活、低成本、小功率的話音和數據通信。其目標是實現最高數據傳輸速度lMb/s(有效傳輸速度為721kb/s)、最大傳輸距離為10m，采用2.4GHz的ISM(Industrial Scientific and Medical，工業、科學、醫學)免費頻帶不必申請即可使用，在此頻段上設立79個帶寬為1MHz的信道，每秒頻率切換1600次、擴頻技術來實現電波的收發。

　　Bluetooth技術是一種短距離無線通信的技術規范，具有Bluetooth體積小、功率低優勢，其被廣泛應用到各種數字設備中，特別是那些對數據傳輸速率要求不高的移動設備和便攜設備。Bluetooth技術的特點如下：

　　(1)全球范圍適用。Bluetooth工作在2.4GHz的ISM頻段，全球大多數國家ISM頻段的范圍是2.4~2.4835GHz，是免費頻段，使用該頻段無須向政府職能部門申請許可證。

　　(2)可同時傳輸語音和數據。Bluetooth采用電路交換和分組交換技術，支持一路數據信道、三路語音信道以及異步數據與同步語音同時傳輸的信道。每個語音信道數據速率為64kb/s，語音信號編碼采用脈沖編碼調制PCM或連續可變斜率增量調制(CVSD)方法。當采用非對稱信道傳輸數據時，速率最高為721kb/s，反向為57.6kb/s;當采用對稱信道傳輸數據時，速率最高為342.6kb/s。Bluetooth有兩種鏈路類型：同步定向連接(SCO)鏈路和異步無連接(ACL)鏈路。

　　(3)可以建立臨時對等連接。根據Bluetooth設備在網絡中的角色，分為主設備和從設備。主設備是組網連接主動發起請求的Bluetooth設備，幾個Bluetooth設備連接成一個皮網(piconet，微微網)時，其中只有一個主設備，其余的都為從設備。皮網是Bluetooth最基本的一種網絡形式，最簡單的皮網是一個主設備和一個從設備組成的點對點通信連接。

　　(4)具有很好的抗干擾能力。在ISM頻段工作的無線電設備有很多，如無線局域網(WLAN)、家用微波爐等產品，為了很好地抵抗來自這些設備的干擾，Bluetooth采用了跳頻方式來擴展頻譜。將2.402~2.48GHz頻段可以分成79個頻點，相鄰頻點間隔為1MHz，Bluetooth設備在某個頻點發送數據之后，再跳到另一個頻點發送，而頻點的排序是偽隨機的，每秒頻率可以改變1600次，每個頻率持續約625/is。

　　(5)體積小，便于集成。個人移動設備的小體積決定了嵌入其內部的Bluetooth模塊體積更小。

　　(6)低功耗。Bluetooth設備在通信連接(Connection)狀態下有四種工作模式，分別是呼吸模式(Sniff)、激活模式(Active).保持模式(Hold)、休眠模式(Park)o激活模式是正常的工作狀態，另外三種是為了節能所規定的低功耗模式。

　　(7)開放的接口標準。SIG為了讓Bluetooth技術的使用推廣開來，將Bluetooth的技術標準全部公開，全世界范圍內任何單位、個人都可以進行Bluetooth產品的開發，只要能通過SIG的Bluetooth產品兼容性測試，就可以推廣市場。

　　(8)成本低。隨著市場需求的不斷擴大，各個供應商紛紛推出自己的Bluetooth芯片和模塊，致使Bluetooth產品的價格飛速下降。

　　Bluetooth技術規定每一對設備之間必須一個為主設備，另一個為從設備，才能進行通信，通信時，必須由主設備進行查找，發起配對，建鏈成功后，雙方即可收發數據。理論上，一個Bluetooth主端設備，可同時與7個Bluetooth從端設備進行通信。一個具備Bluetooth通信功能的設備，可以在兩個角色間切換，平時工作在從模式，等待其他主設備來連接，需要時，轉換為主模式，向其他設備發起呼叫。一個Bluetooth設備以主模式發起呼叫時，需要知道對方的Bluetooth地址，配對密碼等信息，配對完成后，可直接發起呼叫。

　　Bluetooth主端設備發起呼叫，首先是查找，找出周圍處于可被查找的Bluetooth設備。主端設備找到從端Bluetooth設備后，需要從端設備的PIN碼才能進行配對，也有設備不需要輸入PIN碼。配對完成后，從端Bluetooth設備會記錄主端設備的信息，此時主端即可向從端設備發起呼叫，已配對過的設備在下次呼叫時，就不必再重新配對。已配對的設備，作為從端的Bluetooth耳機也可以發起建鏈請求。主從兩端之間在鏈路建立成功后即可進行雙向的語音或數據通信。在通信狀態下，主端和從端設備都可發起斷鏈并斷開Bluetooth鏈路。

　　Bluetooth數據傳輸應用中，一對一串口數據通信是最常見的應用之一，在出廠前Bluetooth設備就已提前設好兩個Bluetooth設備之間的配對信息，主端預存了從端設備的PIN碼、地址等，兩端設備加電即自動建鏈，透明串口傳輸，無須外圍電路干預。一對一應用中從端設備可以設為兩種類型，一種是不能被別的Bluetooth設備查找的靜默狀態;二是可被指定主端查找以及可以被別的Bluetooth設備查找建鏈的狀態。

　　Bluetooth系統按照功能分為四個單元：鏈路控制單元、無線射頻單元、Bluetooth協議單元和鏈路管理單元。數據和語音的發送和接收主要由無線射頻單元負責bluetooth天線具有體積小、質量輕、距離短、功耗低的特點。鏈路控制單元(LinkController)進行射頻信號與數字或語音信號的相互轉化，實現基帶協議和其他的底層連接規程。鏈路管理單元(LinkManager)負責管理Bluetooth設備之間的通信，實現鏈路的建立、驗證、鏈路配置等操作。Bluetooth協議是為個人區域內的無線通信制定的協議，包括兩部分：核心(Core)部分和協議子集(Profile)部分。協議棧采用的分層結構，分別完成的是數據流的過濾、傳輸、跳頻和數據幀傳輸、連接的建立和釋放、鏈路的控制以及數據的拆裝等功能。

　　二、ZigBee

　　物聯網技術主要包括無線傳感技術和進程通信技術。進程通信技術包括RFID、Bluetooth、WiFi、ZigBee等。ZigBee是無線傳感網絡的熱門技術之一?？梢杂迷诮ㄖ锉O測、貨物跟蹤、環境保護等方面。傳感器網絡要求節點成本低、易于維護、功耗低、能夠自動組網、可靠性高。ZigBee在組網和低功耗方面具有很大優勢。

　　ZigBee技術是一種短距離、低功耗的無線通信技術，它源于蜜蜂的八字舞，蜜蜂(bee)是通過飛翔和“嗡嗡"(zig)抖動翅膀的“舞蹈”來與同伴傳遞花粉所在的方位信息，ZigBee協議的方式特點與其類似，便取名為ZigBee。

　　ZigBee技術采用AES加密(高級加密系統)，嚴密程度相當于銀行卡加密技術的12倍，因此其安全性較高，同時，ZigBee采用蜂巢結構組網，每個設備能通過多個方向與網關通信，從而保障了網絡的穩定性，ZigBee設備還具有無線信號中繼功能，可以接力傳輸通信信息把無線距離傳到1000m以外。另外，ZigBee網絡容量理論節點為65300個，能夠滿足家庭網絡覆蓋需求，即便是智能小區、智能樓宇等只需要1個主機就能實現全面覆蓋，ZigBee也具備雙向通信的能力，不僅能發送命令到設備，同時設備也會把執行狀態和相關數據反饋回來。ZigBee采用極低功耗設計，可以全電池供電，理論上一節電池能使用2年以上。

　　ZigBee采用DSSS技術，具有以下特點:

　　(1)功耗低。ZigBee Alliance網站公布，和普通電池相比，ZigBee產品可使用數月至數年之久。這就決定了那些需要一年甚至更長時間才需更換電池的設備對它的需求。

　　(2)接入設備多。ZigBee的解決方案支持每個網絡協調器帶有255個激活節點，多個網絡協調器可以連接大型網絡。2.4GHz頻段可容納16個通道，每個網絡協調器帶有255個激活節點(Bluetooth只有8個)，ZigBee技術允許在一個網絡中包含4000多個節點。

　　(3)成本低。ZigBee只需要80C51之類的處理器以及少量的軟件即可實現，無須主機平臺。從天線到應用實現只需1塊芯片即可。Bluetooth需依靠較強大的主處理器(如ARM7)，芯片構架也比較復雜。

　　(4)傳輸速率低。ZigBee的低功率導致了低傳輸速率，其原始數據吞吐速率在4GHz(10channels)頻段為250kb/s，在915MHz(6channels)頻段為40kb/s，在868MHz(Ichannel)頻段為20kb/so傳輸距離為10~20m。

　　(5)短時延。ZigBee的響應速度較快，一般從睡眠轉入工作狀態只需15ms，節點連接進入網絡只需30ms，進一步節省了電能。

　　(6)高容量。ZigBee可采用星狀和網狀網絡結構，由一個主節點管理若干子節點，一個主節點最多可管理254個子節點;同時主節點還可由上一層網絡節點管理，最多可組成65000個節點的大網。

　　(7)高安全。ZigBee提供了三級安全模式，包括無安全設定、使用接入控制清單(ACL)防止非法獲取數據以及采用高級加密標準(AES128)的對稱密碼，以靈活確定其安全屬性。

　　(8)免執照頻段。使用工業科學醫療(ISM)頻段，即915MHz(美國)、868MHz(歐洲)、2.4GHz(全球)。由于三個頻帶除物理層不同外，其各自信道帶寬也是不同的，分別為0.6MHz、2MHz和5MHz。分別有1個、10個和16個信道。這三個頻帶的擴頻和調制方式也是有區別的。擴頻都使用的是直接序列擴頻(DSSS)，但從比特到碼片的變換差別較大。調制方式都用了調相技術，而868MHz和915MHz頻段采用的是BPSK，2.4GHz頻段采用的是OQPSK。

　　三、NFC

　　NFC(Near Field Communication)近場通信技術，又稱近距離無線通信，是一種短距離的電子設備之間非接觸式點對點數據傳輸(小于10cm)交換數據高頻無線通信技術。NFC是在非接觸式射頻識別(RFID)和互聯網技術的基礎上演變而來，向下兼容RFID，最早由Sony和Philips各自開發成功，主要用于手機等手持設備中提供M2M(Machine to Machine)的通信。NFC讓消費者簡單直觀地交換信息、訪問內容與服務，自2003年NFC問世以來，就憑借其出色的安全以及使用方便的特性得到眾多企業的青睞與支持。

　　NFC作為一種邏輯連接器可以在設備上迅速實現無線通信，將具備NFC功能的兩個設備靠近，NFC便能夠進行無線配置并初始化其他無線協議，如Bluetooth、IEEE 802.11，從而可以進行近距離通信或數據的傳輸。NFC可用于數據交換，傳輸距離較短、傳輸創建速度較快、傳輸速度快、功耗低。NFC與Bluetooth的功能非常相像，都是短程通信技術，經常被集成到移動電話上。NFC不需要復雜的設置程序，具有簡化版Bluetooth的功能。NFC的數據傳輸速度有106kb/s、212kb/s、424kb/s三種，遠小于BluetoothV2.1(2.lMb/s)。

　　四、IEEE 802.11ah

　　以IEEE 802.11為前綴的是無線局域網絡標準，后跟用于區分各自屬性的一個或者兩個字母。美國電氣和電子工程師協會(IEEE)應無縫互連的應用需求提出了802.11ah標準，實現低功耗、長距離無線區域網絡連接，需要采用1GHz以下頻段。有效地改善了WiFi信號易受建筑物阻擋而影響傳輸距離和覆蓋范圍的弊病。

　　IEEE最初制定的一個無線局域網標準就是802.11，這也是第一個被國際上認可的在無線局域網領域內的協議。主要用于解決校園網和辦公室局域網中，用戶和用戶終端的無線接入，業務主要限于數據存取，速率最高只能達到2Mb/s。由于802.11在速率和傳輸距離上不能滿足人們的需要。因此JEEE小組又相繼推出了在技術上主要差別在于MAC子層和物理層802.11a、802.11b等許多新標準。

　　從1997年第一代802.11標準發布以來，WiFi得到了巨大的發展和普及。在今天，WiFi成為用戶上網的首選方式，在WiFi系統發展過程中，每一代802.11的標準都在大幅度地提升速率。如802.11ac速度能達到lGb/s，802.11ac標準運行在5GHz頻段，與2.4GHz的802.11n或802.11g相比有更快的速度。802.11ah標準，理想情況下傳輸距離可以達到1km的，實現更大的覆蓋范圍。802.11ah采用900MHz頻段，運行速度大大降低，僅能達到150kb/s和18Mb/s之間的速度，這適合于短時間數據傳輸的低功率設備，是物聯網無線通信可選技術。

　　1.IEEE 802.11信道劃分

　　IEEE 802.11以載波頻率為2.4GHz頻段和5GHz頻段來劃分，在此之上劃分成多個子信道。

　　1)2.4GHz頻段

　　IEEE 802.11工作組和國家標準GB15629.1102共同規定，2.4GHz工作頻段為2.4~2.4835GHz，子信道個數為12個且寬帶為22MHz。每個國家各有不同，信道為1~11號可供美國使用;歐盟國家為1~13號;中國為1~13號，如圖1所示。

　　通信技術是物聯網的基礎，萬物互聯離不開各種通信技術的支持。如果把物聯網比作信息的物流系統，那么通信技術就是不同的交通運輸方式。

　　常見的通信技術可以分為有線通信技術和無線通信技術。參考“常見物聯網通信技術概覽”。有線技術與無線技術根據場景及技術特點，又細分出許多不同的標準。

　　一、有線通信技術

　　以太網介紹

　　以太網結構分兩大層：

　　PHY—物理層，主要作用是把數字信號變成在可支持的傳輸媒介上傳輸的模擬信號。它定義了數據傳輸的電氣信號、符號、線的狀態和時鐘要求、數據編碼和數據傳輸的連接器。

　　MAC——edia Access Control，媒介存取控制，它對應OSI7層模型的是數據鏈路層。數據鏈路層是由兩部分組成MAC(介質存取控制)和LLC(邏輯鏈路控制)。MAC是負責發送和接受數據。對數據傳輸進行同步、識別錯誤及控制數據的流向。