物联网节点(物联网节点之间的无线通信)

感知技术将数据收集起来，传输层则负责将各类信息进行传递和处理。物联网传输层技术根据距离主要可以分为近距离无线通信技术和远距离无线通信技术。其中，近距离无线通信技术主要包括RFID、NFC、ZigBee、Bluetooth、WiFi等，典型应用如智能交通、智能物流等。广域网通信技术一般定义为LPWAN（低功耗广域网），典型应用如LoRa、NB-IoT、BTA-OIT（自组网）、2G/3G蜂窝通信技术、LTE、5G技术等。

一、Bluetooth

蓝牙技术（Bluetooth）是由东芝、IBM、Intel、爱立信和诺基亚于1998年5月共同提出的一种近距离无线数字通信的技术标准。Bluetooth技术是低功率短距离无线连接技术，能穿透墙壁等障碍，通过统一的无线链路，在各种数字设备之间实现安全、灵活、低成本、小功率的话音和数据通信。其目标是实现最高数据传输速度lMb/s（有效传输速度为721kb/s）、最大传输距离为10m，采用2.4GHz的ISM（Industrial Scientific and Medical，工业、科学、医学）免费频带不必申请即可使用，在此频段上设立79个带宽为1MHz的信道，每秒频率切换1600次、扩频技术来实现电波的收发。

Bluetooth技术是一种短距离无线通信的技术规范，具有Bluetooth体积小、功率低优势，其被广泛应用到各种数字设备中，特别是那些对数据传输速率要求不高的移动设备和便携设备。Bluetooth技术的特点如下：

（1）全球范围适用。Bluetooth工作在2.4GHz的ISM频段，全球大多数国家ISM频段的范围是2.4~2.4835GHz，是免费频段，使用该频段无须向政府职能部门申请许可证。

（2）可同时传输语音和数据。Bluetooth采用电路交换和分组交换技术，支持一路数据信道、三路语音信道以及异步数据与同步语音同时传输的信道。每个语音信道数据速率为64kb/s，语音信号编码采用脉冲编码调制PCM或连续可变斜率增量调制（CVSD）方法。当采用非对称信道传输数据时，速率最高为721kb/s，反向为57.6kb/s；当采用对称信道传输数据时，速率最高为342.6kb/s。Bluetooth有两种链路类型：同步定向连接（SCO）链路和异步无连接（ACL）链路。

（3）可以建立临时对等连接。根据Bluetooth设备在网络中的角色，分为主设备和从设备。主设备是组网连接主动发起请求的Bluetooth设备，几个Bluetooth设备连接成一个皮网（piconet，微微网）时，其中只有一个主设备，其余的都为从设备。皮网是Bluetooth最基本的一种网络形式，最简单的皮网是一个主设备和一个从设备组成的点对点通信连接。

（4）具有很好的抗干扰能力。在ISM频段工作的无线电设备有很多，如无线局域网（WLAN）、家用微波炉等产品，为了很好地抵抗来自这些设备的干扰，Bluetooth采用了跳频方式来扩展频谱。将2.402~2.48GHz频段可以分成79个频点，相邻频点间隔为1MHz，Bluetooth设备在某个频点发送数据之后，再跳到另一个频点发送，而频点的排序是伪随机的，每秒频率可以改变1600次，每个频率持续约625/is。

（5）体积小，便于集成。个人移动设备的小体积决定了嵌入其内部的Bluetooth模块体积更小。

（6）低功耗。Bluetooth设备在通信连接（Connection）状态下有四种工作模式，分别是呼吸模式（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状态，另外三种是为了节能所规定的低功耗模式。

（7）开放的接口标准。SIG为了让Bluetooth技术的使用推广开来，将Bluetooth的技术标准全部公开，全世界范围内任何单位、个人都可以进行Bluetooth产品的开发，只要能通过SIG的Bluetooth产品兼容性测试，就可以推广市场。

（8）成本低。随着市场需求的不断扩大，各个供应商纷纷推出自己的Bluetooth芯片和模块，致使Bluetooth产品的价格飞速下降。

Bluetooth技术规定每一对设备之间必须一个为主设备，另一个为从设备，才能进行通信，通信时，必须由主设备进行查找，发起配对，建链成功后，双方即可收发数据。理论上，一个Bluetooth主端设备，可同时与7个Bluetooth从端设备进行通信。一个具备Bluetooth通信功能的设备，可以在两个角色间切换，平时工作在从模式，等待其他主设备来连接，需要时，转换为主模式，向其他设备发起呼叫。一个Bluetooth设备以主模式发起呼叫时，需要知道对方的Bluetooth地址，配对密码等信息，配对完成后，可直接发起呼叫。

Bluetooth主端设备发起呼叫，首先是查找，找出周围处于可被查找的Bluetooth设备。主端设备找到从端Bluetooth设备后，需要从端设备的PIN码才能进行配对，也有设备不需要输入PIN码。配对完成后，从端Bluetooth设备会记录主端设备的信息，此时主端即可向从端设备发起呼叫，已配对过的设备在下次呼叫时，就不必再重新配对。已配对的设备，作为从端的Bluetooth耳机也可以发起建链请求。主从两端之间在链路建立成功后即可进行双向的语音或数据通信。在通信状态下，主端和从端设备都可发起断链并断开Bluetooth链路。

Bluetooth数据传输应用中，一对一串口数据通信是最常见的应用之一，在出厂前Bluetooth设备就已提前设好两个Bluetooth设备之间的配对信息，主端预存了从端设备的PIN码、地址等，两端设备加电即自动建链，透明串口传输，无须外围电路干预。一对一应用中从端设备可以设为两种类型，一种是不能被别的Bluetooth设备查找的静默状态；二是可被指定主端查找以及可以被别的Bluetooth设备查找建链的状态。

Bluetooth系统按照功能分为四个单元：链路控制单元、无线射频单元、Bluetooth协议单元和链路管理单元。数据和语音的发送和接收主要由无线射频单元负责bluetooth天线具有体积小、质量轻、距离短、功耗低的特点。链路控制单元（LinkController）进行射频信号与数字或语音信号的相互转化，实现基带协议和其他的底层连接规程。链路管理单元（LinkManager）负责管理Bluetooth设备之间的通信，实现链路的建立、验证、链路配置等操作。Bluetooth协议是为个人区域内的无线通信制定的协议，包括两部分：核心（Core）部分和协议子集（Profile）部分。协议栈采用的分层结构，分别完成的是数据流的过滤、传输、跳频和数据帧传输、连接的建立和释放、链路的控制以及数据的拆装等功能。

二、ZigBee

物联网技术主要包括无线传感技术和进程通信技术。进程通信技术包括RFID、Bluetooth、WiFi、ZigBee等。ZigBee是无线传感网络的热门技术之一。可以用在建筑物监测、货物跟踪、环境保护等方面。传感器网络要求节点成本低、易于维护、功耗低、能够自动组网、可靠性高。ZigBee在组网和低功耗方面具有很大优势。

ZigBee技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术，它源于蜜蜂的八字舞，蜜蜂（bee）是通过飞翔和嗡嗡"（zig）抖动翅膀的舞蹈来与同伴传递花粉所在的方位信息，ZigBee协议的方式特点与其类似，便取名为ZigBee。

ZigBee技术采用AES加密（高级加密系统），严密程度相当于银行卡加密技术的12倍，因此其安全性较高，同时，ZigBee采用蜂巢结构组网，每个设备能通过多个方向与网关通信，从而保障了网络的稳定性，ZigBee设备还具有无线信号中继功能，可以接力传输通信信息把无线距离传到1000m以外。另外，ZigBee网络容量理论节点为65300个，能够满足家庭网络覆盖需求，即便是智能小区、智能楼宇等只需要1个主机就能实现全面覆盖，ZigBee也具备双向通信的能力，不仅能发送命令到设备，同时设备也会把执行状态和相关数据反馈回来。ZigBee采用极低功耗设计，可以全电池供电，理论上一节电池能使用2年以上。

ZigBee采用DSSS技术，具有以下特点:

（1）功耗低。ZigBee Alliance网站公布，和普通电池相比，ZigBee产品可使用数月至数年之久。这就决定了那些需要一年甚至更长时间才需更换电池的设备对它的需求。

（2）接入设备多。ZigBee的解决方案支持每个网络协调器带有255个激活节点，多个网络协调器可以连接大型网络。2.4GHz频段可容纳16个通道，每个网络协调器带有255个激活节点（Bluetooth只有8个），ZigBee技术允许在一个网络中包含4000多个节点。

（3）成本低。ZigBee只需要80C51之类的处理器以及少量的软件即可实现，无须主机平台。从天线到应用实现只需1块芯片即可。Bluetooth需依靠较强大的主处理器（如ARM7），芯片构架也比较复杂。

（4）传输速率低。ZigBee的低功率导致了低传输速率，其原始数据吞吐速率在4GHz（10channels）频段为250kb/s，在915MHz（6channels）频段为40kb/s，在868MHz（Ichannel）频段为20kb/so传输距离为10~20m。

（5）短时延。ZigBee的响应速度较快，一般从睡眠转入工作状态只需15ms，节点连接进入网络只需30ms，进一步节省了电能。

（6）高容量。ZigBee可采用星状和网状网络结构，由一个主节点管理若干子节点，一个主节点最多可管理254个子节点；同时主节点还可由上一层网络节点管理，最多可组成65000个节点的大网。

（7）高安全。ZigBee提供了三级安全模式，包括无安全设定、使用接入控制清单（ACL）防止非法获取数据以及采用高级加密标准（AES128）的对称密码，以灵活确定其安全属性。

（8）免执照频段。使用工业科学医疗（ISM）频段，即915MHz（美国）、868MHz（欧洲）、2.4GHz（全球）。由于三个频带除物理层不同外，其各自信道带宽也是不同的，分别为0.6MHz、2MHz和5MHz。分别有1个、10个和16个信道。这三个频带的扩频和调制方式也是有区别的。扩频都使用的是直接序列扩频（DSSS），但从比特到码片的变换差别较大。调制方式都用了调相技术，而868MHz和915MHz频段采用的是BPSK，2.4GHz频段采用的是OQPSK。

三、NFC

NFC（Near Field Communication）近场通信技术，又称近距离无线通信，是一种短距离的电子设备之间非接触式点对点数据传输（小于10cm）交换数据高频无线通信技术。NFC是在非接触式射频识别（RFID）和互联网技术的基础上演变而来，向下兼容RFID，最早由Sony和Philips各自开发成功，主要用于手机等手持设备中提供M2M（Machine to Machine）的通信。NFC让消费者简单直观地交换信息、访问内容与服务，自2003年NFC问世以来，就凭借其出色的安全以及使用方便的特性得到众多企业的青睐与支持。

NFC作为一种逻辑连接器可以在设备上迅速实现无线通信，将具备NFC功能的两个设备靠近，NFC便能够进行无线配置并初始化其他无线协议，如Bluetooth、IEEE 802.11，从而可以进行近距离通信或数据的传输。NFC可用于数据交换，传输距离较短、传输创建速度较快、传输速度快、功耗低。NFC与Bluetooth的功能非常相像，都是短程通信技术，经常被集成到移动电话上。NFC不需要复杂的设置程序，具有简化版Bluetooth的功能。NFC的数据传输速度有106kb/s、212kb/s、424kb/s三种，远小于BluetoothV2.1（2.lMb/s）。

四、IEEE 802.11ah

以IEEE 802.11为前缀的是无线局域网络标准，后跟用于区分各自属性的一个或者两个字母。美国电气和电子工程师协会（IEEE）应无缝互连的应用需求提出了802.11ah标准，实现低功耗、长距离无线区域网络连接，需要采用1GHz以下频段。有效地改善了WiFi信号易受建筑物阻挡而影响传输距离和覆盖范围的弊病。

IEEE最初制定的一个无线局域网标准就是802.11，这也是第一个被国际上认可的在无线局域网领域内的协议。主要用于解决校园网和办公室局域网中，用户和用户终端的无线接入，业务主要限于数据存取，速率最高只能达到2Mb/s。由于802.11在速率和传输距离上不能满足人们的需要。因此JEEE小组又相继推出了在技术上主要差别在于MAC子层和物理层802.11a、802.11b等许多新标准。

从1997年第一代802.11标准发布以来，WiFi得到了巨大的发展和普及。在今天，WiFi成为用户上网的首选方式，在WiFi系统发展过程中，每一代802.11的标准都在大幅度地提升速率。如802.11ac速度能达到lGb/s，802.11ac标准运行在5GHz频段，与2.4GHz的802.11n或802.11g相比有更快的速度。802.11ah标准，理想情况下传输距离可以达到1km的，实现更大的覆盖范围。802.11ah采用900MHz频段，运行速度大大降低，仅能达到150kb/s和18Mb/s之间的速度，这适合于短时间数据传输的低功率设备，是物联网无线通信可选技术。

1.IEEE 802.11信道划分

互联网小常识：基于网络的信息系统主要包括以下几个部分：网络运行环境、网络系统、网络操作系统、网络应用软件开发与运行环境、网络应用系统、网络安全系统和网络管理系统。

IEEE 802.11以载波频率为2.4GHz频段和5GHz频段来划分，在此之上划分成多个子信道。

1）2.4GHz频段

IEEE 802.11工作组和国家标准GB15629.1102共同规定，2.4GHz工作频段为2.4~2.4835GHz，子信道个数为12个且宽带为22MHz。每个国家各有不同，信道为1~11号可供美国使用；欧盟国家为1~13号；中国为1~13号，如图1所示。

互联网小常识：漏洞扫描技术通常也分为基于主机和基于网络的的两种扫描器。公共漏洞和暴漏（CVE）是个行业标准。

图1 2.4GHz频段划分

由图1可知，在2.4GHz频段中，大部分频点之间相互重叠，只有三个频点是可同时使用的。

2）2.5GHz频段

IEEE 802.11工作小组在5GHz频段上选择了555MHz的带宽，共分为三个频段，频率范围分别是5.150~5.350GHz、5.470~5.725GHz、5.725~5.850GHz。2002年中国工业与信息化部规定5.725~5.850GHz为中国大陆5.8GHz频段，信道带宽20MHz，可用频率125MHz，总计5个信道，如图2所示。

图2 5.8GHz频段划分

2012年工业与信息化部放开5.150-5.350GHz的频段资源，用于无线接入系统。新开放的信道为8个20MHz的带宽。由于5GHz频段的13个信道是不叠加的，所以这13个信道可以在同一个区域内覆盖，后8个信道仅可在室内应用中使用，如图3所示。

图3 5GHz频段划分

2.IEEE 802.11ah频率划分

IEEE 802.11ah是1GHz以下频段的无线局域网标准，支持1MHz、2MHz、4MHz、8MHz、16MHz带宽。中国的信道划分从755MHz到787MHz这一频段，包括32个lMHz、4个2MHz、2个4MHz、1个8MHz带宽。779~787MHz频段支持多种带宽，高速率应用占有最高优先级，支持最高10mW的发射功率。755~779MHz频段被分为24个1MHz带宽的频段，低速率应用占有更高的优先级，支持最高5mW的发射功率。

3.子载波

IEEE 802.11ah子载波分为2MHz以上带宽和1MHz带宽系统。对于2MHz系统，子载波位置分布是从IEEE 802.11ac标准10倍降频而来，如IEEE 802.11ah中2MHz、4MHz、8MHz、16MHz带宽的子载波分布与IEEE 802.11ac中20MHz、40MHz、80MHz、160MHz带宽下的子载波分布保持一致。而1MHz是IEEE 802.11ah特有的，采用的是32点IFFT，其中包括1个直流分量，5个保护子载波留空，2个导频子载波分别位于±7位置，24个数据子载波，如图4所示。

图4 子载波分配

4.物理帧结构

IEEE 802.11ah定义的物理层汇聚过程（Physical Layer Convergence Procedure，PLCP）协议数据单元（Protocol Data Unit，PDU）PPDU的结构分为两种：一种是2MHz及其以上带宽的发送帧格式，类似IEEE 802.11ac；另一种是IEEE 802.11ah为了提高覆盖范围而提出的1MHz带宽发送帧。

2MHz带宽的帧格式继承了IEEE 802.11n和IEEE 802.11ac的物理层帧格式。短训练域（Short Training Field，STF）符号数与IEEE 802.11n相同，在每个符号中，STF占据12个非零子载波。长训练域（Long Training Field，LTF）对应了IEEE 802.11ac中相同FFT长度的甚高速长训练域（VHT-LTF）。信号域SIG占据2个符号，每个符号采用Q-BPSK调制。此模式下2MHz、4MHz、8MHz、16MHz带宽下的STF、LTF、SIG字段分别对应IEEE 802.11ac的20MHz、40MHz、80MHz、160MHz带宽下的相应字段。如图5所示。

图5 PPDU结构（2MHz以及大于2MHz模式）

1MHz带宽下PPDU的结构包括4个符号的STF、4个符号的LTF、6个符号的SIG、n-1个LTF、数据域。SIG强制使用MCS10进行调制编码，LTF1表示第一个长训练域，用于符号定时、信道估计、细频偏估计，LTF2~LTFn用于多天线的信道估计。每个符号拥有32个子载波，FFT点数为32。与双倍保护间隔（Double Guard Interval，DGI）加上两个连续LTS相比，图6所示的LTF1的格式在图7所示的LTF的基础上增加了2个LTS。

图6 PPDU结构（1MHz模式）

802.11各个版本的性能参数如表1所示。

5.802.11ah的应用场景

802.11ah共定义了三种应用场景，其中第一种场景预计在物联网中将得到大规模应用。

应用场景1：智能抄表（如图7所示）。这种场景下，IEEE 802.11ahAP主要作为末端网络使用，将传感器收集的数据传输到上层网络或应用平台。

图7 智能抄表应用场景

应用场景2：智能抄表回传链路（如图8所示）。这种场景下，802.11ah主要作为回传链路使用，下面接802.15.4g等底层网络，将从底层网络得到的数据传输到应用平台。

图8 智能抄表回传链路应用场景

应用场景3：WiFi覆盖扩展（含蜂窝网分流）（如图9所示）。

图9 WiFi覆盖扩展（含蜂窝网分流）应用场景

这种场景下，802.11ah主要扩展WiFi热点的覆盖，并能为蜂窝网提供业务分流。

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