物聯網通信
本文非原創，旨在於學習物聯網相關知識。文中內容來自物聯網與短距離無線通信技術教材，詳情可以參考下面書籍。
董健 編著. 物聯網與短距離無線通信技術(第2版).電子工業出版社.2016.9
物聯網通信
前面總結了物聯網的分層結構——端管雲架構，這裏重點對物聯網通信進行學習。通信是連接物聯網終端和雲端、應用層的關鍵，沒有中間的通信就無法產生豐富的物聯網應用。物聯網通信將現實物理世界和虛擬的數字世界連接在一起，構成了物物互聯的基礎。
物聯網通信幾乎包含了所有的通信技術，包括有線通信和無線通信。無線通信包括移動通信、無線通信、射頻與微波通信等。
移動通信
移動通信（Mobile Communication），就是移動體之間的通信或移動體與固定體之間的通信。移動體可以是人，也可以是汽車、火車、輪船、收音機等在移動狀態中的物體。移動通信具有廣覆蓋、建設成本低、部署快、業務開通方便等特點，成爲物聯網通信的主要連接手段之一。移動通信具有受時空限制少、實時性好的優點 ，從而得到了廣泛的應用和飛速的發展。移動通信網絡是一個廣域通信網絡，典型代表是移動蜂窩網，中心基站負責終端設備的接入，然後與上層核心網一起完成數據的傳輸。綜合了無線和有線通信的傳輸優勢，滿足了物聯網應用場景中與固定終端或移動終端的通信訴求。
移動通信的特點
①移動性：擺脫線纜約束，保持物體在移動狀態中的通信，因而它必須是無線通信，或無線通信與有線通信的結合；
②電磁波傳播條件複雜：電磁波在傳播時會產生反射、折射、繞射、多普勒效應等現象，產生多徑干擾、信號傳播延遲和展寬等效應；
③干擾嚴重：移動用戶之間的互調幹擾、鄰道干擾、同頻干擾等；
④系統和網絡結構複雜：它是一個多用戶通信系統和網絡，必須使用戶之間互不干擾，能協調一致地工作，此外，移動通信系統還應與市話網、衛星通信網、數據網等互連，整個網絡結構更加複雜；
⑤要求頻帶利用率高、設備性能好。
移動通信由於自身特點，決定了在傳輸過程中產生三類不同的損耗和四種效應。三類損耗包括路徑損耗、大尺度衰落損耗、小尺度衰落損耗。四種效應包括陰影效應、遠近效應、多徑效應、多普勒效應。
移動通信的發展
移動通信的標誌性發展歷程就是從大家熟悉的1G（模擬通信）開始，到2G（GSM）、3G（CDMA）、4G（LTE）、5G的發展歷程。1978年貝爾實驗室研製小區制的移動電話系統，建成了蜂窩狀移動通信，大大提高了網絡容量，開始了第一代通信系統。20世界80年代數字移動通信系統逐漸發展成熟，大大提高了系統容量，能提供語音、數據等多種服務。典型代表就是歐洲的GSM網絡。20世紀末，第三代移動通信的開發和推出，使移動通信進入了全新的發展階段。全球三大主流標準包括：WCDMA、CDMA2000和TD-SCDMA。2010年左右，4G通信逐漸開始，典型代表是LTE和WiMax，4G增強了空口技術，採用了OFDM和MIMO技術。2020年，5G逐漸開始商用，爲物聯網、AR、VR、自動駕駛等實現提供了有力技術支撐。
移動通信是迅速發展，除了用戶的強烈需求推動外，還包括幾個方面提供的條件。首先，微電子的發展使得通信設備小型化成爲可能，各種通信終端被不斷推出，價格也不斷降低。其次，創造性的提出了蜂窩網通信概念。隨着用戶數增加，用戶數據傳輸速率需求不斷增強，大區制能提供的容量很快飽和，此時必須有新的通信體制與之結合。這方面的重要突破就是貝爾實驗室提出的蜂窩網概念。蜂窩網也叫小區，實現了頻譜複用，大大提高了容量，真正解決了公用通信頻譜資源的矛盾。第三，微處理器技術日趨成熟，及計算機技術的發展，爲大型通信網的管理和控制提供了技術支持。
無線通信
寬帶無線接入技術通過無線的方式，以與有線接入技術相當的數據傳輸速率和通信質量接入核心網絡，有些寬帶無線接入技術還能支持用戶終端構成小規模的Ad hoc網絡。寬帶無線接入技術在高速Internet接入、信息家電聯網、移動辦公、軍事、救災、空間探險等領域具有廣闊的應用。
國際電子電氣工程師協會（IEEE）在1997年定製了第一個無線局域網標準IEEE 802.11。此後，IEEE 802.11迅速發展爲一系列標準，寬帶無線接入技術在無線通信領域地位越來越重要。IEEE 802系列無線標準體系及應用場景如下圖所示。
1．無線個域網
無線個域網（Wireless Personal Area Network，WPAN）是爲了實現活動半徑小、業務類型豐富、面向特定羣體、無線無縫的連接而提出的新興無線通信網絡技術。WPAN能有效地解決“最後的幾米電纜”的問題，進而將無線聯網進行到底。
無線個域網位於整個網絡的末端，例如連接手機、耳機等。覆蓋範圍一般在10米內，必須運行於許可的無線頻段。WPAN分爲高速和低速兩種。高速WPAN用於傳輸視頻、圖片等場景，低速WPAN用於倉庫管理、物流跟蹤、環保監控等場景。
2．無線局域網
基於IEEE 802.11標準的無線局域網允許在局域網絡環境中使用未授權的2.4 GHz或5.3 GHz射頻波段進行無線連接。
無線局域網優點包括：靈活性和移動性、安裝便捷、易於網絡規劃調整、故障定位容易、易於擴展等。不足之處包括：性能、速率、安全性等。無線局域網需要解決的技術要求包括：可靠性、兼容性、速率、移動性、節能性、小型化、低價格、電磁環境等。
3．無線城域網
無線城域網（Wireless Metropolitan Area Network，WMAN）是以無線方式構成的城域網，提供面向互聯網的高速連接。無線城域網的推出是爲了滿足日益增長的寬帶無線接入（Broadband Wireless Access，BWA）市場需求。IEEE 802.16系列標準能同時解決物理層環境（室外射頻傳輸）和QoS兩方面的問題，以滿足BWA和“最後一公里”接入市場的需要。802.16採用了OFDM技術，不是所有的OFDM都是相同的。802.11爲了低功耗能力，OFDM是按照覆蓋十米或百米設計的，802.16的OFDM被設計成高功率，可覆蓋數十公里。
4．無線廣域網
WWAN是採用無線網絡把物理距離極爲分散的局域網（LAN）連接起來的通信方式。WWAN連接地理範圍較大，常常是一個國家或是一個洲，其目的是爲了讓分佈較遠的各局域網互連，它的結構分爲末端系統（兩端的用戶集合）和通信系統（中間鏈路）兩部分。IEEE 802.20是WWAN的重要標準。
無線通信是通信領域發展最快的部分，同時通信發展越來越呈現出傳輸寬帶化、寬帶無線化、業務多樣化趨勢。當以光通信爲基礎的核心網已經具備超高速、超容量的特徵時，接入網建設就成爲電信網發展必須解決的瓶頸。無線通信以組網靈活、升級方便特點收到業界青睞，但問題也很明顯。WiFi、WiMax等無線技術具有接入速率高、費用低的特點，使得利用WiFi、WiMax取代3G的呼聲很高。但是從覆蓋能力、速率能力、業務類型、前向擴展等多方面因素考慮，WiFi、WiMax更可能是3G技術的補充，而不是競爭對手。
運營商一直想把寬帶接入作爲一個增長點，但是由於未建立有效的盈利模式，一直髮展不盡人意。因此運營商、設備商、內容商必須尋求利益平衡，建立緊密的合作共贏關係。新技術的發展離不開與之相對應的應用，正確處理技術與市場的關係，簡歷適應市場需求的發展模式也應該成功寬帶無線通信技術的發展思路。
短距離通信
到目前爲止，學術界和工程界對此並無嚴格定義。一般來說，短距離無線通信的主要特點是通信距離短，覆蓋範圍一般在幾十米或上百米之內；無線發射器的發射功率較低，一般小於100 mW；工作頻率多爲免付費、免申請的全球通用的工業、科學、醫學（Industrial Scientific and Medical，ISM）頻段。短距離無線通信的範圍很廣，在一般意義上，只要通信收發雙方通過無線電波傳輸信息，並且傳輸距離限制在較小範圍內，通常是幾十米以內，就可以稱爲短距離無線通信。和移動通信網絡實現端到端物聯網通信不通，短距離無線通信主要關注建立局部範圍內臨時性的物聯網通信。
低成本、低功耗和對等通信，是短距離無線通信技術的三個重要特徵和優勢。
目前使用較廣泛的近距無線通信技術是藍牙(Bluetooth)，無線局域網802.11(Wi-Fi)、Zigbee和紅外數據傳輸(IrDA)。同時還有一些具有發展潛力的近距無線技術標準，它們分別是：超寬帶(Ultra WideBand)、近距通信(NFC)、60GHz通信、可見光通信等。這些技術在通信距離、速率或者其他特性上有不同特點。
需要指出的是，上述各種短距離無線通信技術都有其立足的特點，或基於傳輸速度、距離、耗電量的特殊要求，或着眼於功能的擴充性，或符合某些單一應用的特別要求，或建立競爭技術的差異化等。它們互爲補充，共同存在，但是沒有一種技術可以完美到足以滿足所有的要求。
隨筆
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物聯網通信基礎設施
在網絡融合的大背景下，某種應用想自己搞一套通信標準、通信設施是很困難的，也是不明智的。單獨搞一套通信標準、設施不僅沒有通信頻譜，也會耗費巨大成本。通信作爲國家基礎設施，新技術必須生長在現有基礎設施之上的纔有發展前景。所以物聯通通信結合了已有的移動、無線通信和有線通信，真正的把現有設施作爲數據傳輸的管道，不用單獨在設備連接、數據傳輸這方面花費太大成本。 -
移動通信發展在生活中的體現
簡單的說，1G就是可以打電話，2G可以發短信，3G是一個過渡網絡，提升了網速可以支持發視頻、圖片了，基本實現了移動互聯網。但3G上網還是比較慢，4G網絡更快，促進了社交網、移動互聯網。5G網絡速率再次質的提升、設備連接數更多、時延更小，可以實現物聯網、自動駕駛、AR、VR等場景。
1G之前的通信系統，就是電視裏看到的民國時期兩邊打電話，中間有人專門接續。採用單工通信方式，兩邊分別說話，需要中間的人傳遞，採用專線的方式，全網容量極小。1978年蜂窩通信網，第一次解決了頻譜複用問題，大大提高了網絡容量，開始了第一代通信系統，從軍用擴大到民用。1G典型場景是港片裏面土豪用大哥大打電話。1G是模擬電路，2G採用了數字電路，大大提高了網絡容量，促進了民用。從外觀上看，2G手機比1G手機小很多，更省電，而且可以方便地收發短信。GMS是2G的通信標準。
2G手機只能打電話、發短信，上網很困難。3G的通信標準將信息的傳輸率提高了一個數量級，這是一個飛躍，它使得移動互聯網得以實現，從此手機打電話的功能降到了次要的位置，而數據通信，也就是上網，成爲主要功能。但是，從1G到3G都存在一個大問題，那就是上網用的移動通信的網絡和原來打電話用的通信網絡雖然能夠一定程度地融合，但本質上還是彼此獨立的。3G時期標準衆多，主流標準就有三個，4G使用了扁平的網絡結構，使得3G標準趨於統一。5G到來後，基站更加密集，也變得小型化。
移動通信發展史，吳軍老師介紹的很清楚，可以參考下面的總結：
https://baijiahao.baidu.com/s?id=1639570085764508641&wfr=spider&for=pc -
有線通信和無線通信
顧名思義，有線通信就是通過線纜實現數據傳輸，無線通信是通過電磁波傳輸數據，包括移動通信和無線通信。有線通信傳輸速率更高，無線通信電磁波暴露在空中，容易被竊取，安全性較低。而有線通信有專門的線纜，相對安全一些。隨着3、4、5G無線通信技術發展，無線傳輸速率也在不斷增大，有線通信的場景也被無線通信替代或融合。當然有線通信也沒有閒着，有線通信的速率也在不斷提升，以光纖通信爲代表的有線通信，被不可替代地用於骨幹網、核心網。
移動通信方面無線、有線有着近乎明確的通信負責範圍。無線通信完成終端設備到基站的接入。密集的基站幾乎覆蓋了整個城市、農村地區，無線接入充分利用了無線通信的可移動性，不會讓人在打電話的時候被綁在一個固定的地方。但是數據上了基站後，數據量很大，再使用無線通信已不可能，這時候有線通信就可以發揮高速率的優勢。將骨幹網、核心網的數據通過專用的光纖鏈路傳輸到另一個城市，大大節約了數據傳輸的時間和穩定性。數據到達另一個城市後在通過基站發送到另一個終端，這樣一次數據傳輸就完成了。
近年來，局部地區範圍內使用無線通信逐漸成爲趨勢，良好的移動性擺脫了線纜的束縛，再加上速率提升，取代了很多有線通信的場景。例如之前電腦都是用網線連接上網，現在WiFi網速良好情況下，用戶逐漸開始使用WLAN上網。城市安全監控設備在速率可以保障的情況下，也可以使用無線進行通信。這樣大大方便了網絡改造和建設。前面也說了無線的穩定性、安全性、速率等方面比有線差一些。所以單純說有線好或者無線好是沒有意義的，需要結合實際使用場景，最終肯定是無線和有線相互補充，選擇最佳解決方案。
無線通信標準參考：http://www.txrzx.com/i389-1.html
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移動通信和無線通信
移動通信和無線通信有很多相似的地方。移動通信優勢在於移動性，比如在行駛的車輛、高鐵上仍能保持語音業務。無線通信特點在於擺脫了線纜的束縛。移動通信用基站提供接入，移動到不同地方的時候，終端會切換到相應基站覆蓋的小區裏，這樣保證了通信的連續性。無線通信一般是有一個固定的接入點（Access Point），接入點通過類似於WiFi的形式提供無線接入，有一定的覆蓋範圍。個人理解，無線通信也類似於移動通信一樣，AP類比於一個小型基站，在AP覆蓋範圍內，可以保持一定的通信速率，遠離基站後通信質量下降。如果相鄰AP能夠像基站一樣統一管理起來，提供無感知的AP切換就類似實現了移動性，目前的分佈式路由器就和這個例子很相似。客廳、樓上樓下、廚房通過分佈式路由提供WiFi網絡，設備移動到不同位置，自動擇優選擇信號強的接入點，保證連接的連續性和移動性。
移動通信能實現小區切換、全區域基站管理。一方面是因爲有運營商專門管理，另一方面是國家給不同運營商分配了專門的通信頻段，是商業性質的產物。而無線通信偏向於家庭、商場使用，覆蓋範圍相對較小，沒有專門管制、分配的頻譜，信號比較雜亂。 -
物聯網通信模式
上面講了各種通信方式，包括有線通信和無線通信。每種通信方式都有各自的特點和應用場景。物聯網應用場景多樣，每種場景可以根據自己的特點選擇合適的通信方式，總體可以分爲蜂窩型和網關型。蜂窩網重點在於海量設備的連接，網關型重點在於相對集中的、通信密集的設備連接。
NB-IoT：窄帶物聯網，用於廣覆蓋、低功耗、低速率、經濟回收效益低的連接場景。比如智能抄表，它不需要很高的帶寬，一個月傳輸的數據量不大。但是對低能耗要求高，比如更換一次電池後需要使用好幾年。
eLTE-IoT：企業無線專網，工業級的安全可靠連接標準，多業務融合網絡。常見業務有語音、企業專線等。
工業網關：工業常用數據連接場景。
家庭智能網關（ONT）：家庭常用的數據連接場景，比較通過WiFi看電影、聽歌等。