物聯網技術之網絡層技術

本文目錄

前言

一、物聯網有線通信技術

1.1以太網

1.2串口通訊

1.3通用串行總線USB

1.4 M-Bus

1.5電力載波PLC

1.6 有線通信技術對比

二、物聯網無線通信技術

2.1短距無線通信技術

2.1.1藍牙

2.1.2 WIFI

2.1.3 ZigBee

2.1.4 Z-Wave

2.2短距無線通信技術對比

2.3蜂窩網絡

2.3.1 2G

2.3.2 3G

2.3.3 4G

2.3.4 LTE-Cat

2.3.5. 5G

2.4 LPWA通信技術

2.4.1 SigFox

2.4.2 LoRa

2.4.3 NB-IoT

2.4.4 eMTC

2.4.5 LPWA技術對比

2.5 無線通信技術對比

三、工業物聯網關

四、家庭物聯網關

4.1未來的家庭網絡

4.2智能ONT技術

4.2.1智能ONT的關鍵業務

4.2.2智能ONT一個核心兩個開放的架構

4.3華為HiLink平臺

4.3.1HiLink平臺四大優勢

4.3.2HiLink平臺兩種接入方式

五、邊緣計算

5.1什么是邊緣計算？

5.2邊緣計算架構分層

六、通信組網技術

6.1星型拓撲結構

6.2環型拓撲結構

6.3總線型拓撲結構

6.4Mesh型拓撲結構

總結

前言

本文將主要介紹HCIA-IoT認證物聯網技術中網絡層的主要技術

本文面向人群：ICT從業人員、學生

在?[HCIA-IoT]篇物聯網起源與發展中我們知道物聯網可分為四層，分別是感知層、網絡層、平臺層和應用層四層。

我的分享也將按這個結構開展，其中網絡層是知識內容最多也是最重要的一層，所以本次先帶來網絡層技術概覽。

一、物聯網有線通信技術

1.1以太網

即我們常用的網線，以太網(Ethernet)是當前TCP/IP主要的局域網技術，使用傳播電磁波的介質以太(Ether)來命名。

基站上有三種接口:一個ETH口、兩個FE/GE口和兩個SFP口。其中SFP口就是使用光纖傳輸的千兆光口。

ETH的意思是標準以太網，傳輸速率為10Mbps。

FE的意思是快速以太網（Fast Ethernet )，傳輸速率為100Mbps。

GE的意思是干兆以太網(Gigabit Ethernet )，傳輸速率為1000Mbps。

FE/GE的意思就是百兆/千兆自適應網口，根據對端連接交換機的速率來確定。

1.2串口通訊

常用的串口通訊協議有RS-232和RS-485

RS-485像是RS232的升級版

1.3通用串行總線USB

這個我們比較熟悉，USB接口可主要有四種

1.4 M-Bus

M-Bus ( Meter Bus ) —―戶用儀表總線，它是一種專門為消耗測量儀器和計數器傳送信息的數據總線設計的。

M-Bus的最大傳輸距離為1000m，且M-Bus可為現場小功率設備供電。

1.5電力載波PLC

這個PLC不是機器，而是通信技術。

電力線通信（Power Line Communication，PLC)技術是指利用電力線傳輸數據和媒體信號的一種通信方式。

該技術是把載有信息的高頻加載于電流然后用電線傳輸，接受信息的適配器再把高頻從電流中分離出來并傳送到計算機或電話以實現信息傳遞。

該技術需在恒定電壓下使用，所以不能通過變壓設備。

1.6 有線通信技術對比

二、物聯網無線通信技術

2.1短距無線通信技術

2.1.1藍牙

藍牙(Bluetooth ):∶是一種無線技術標準，可實現固定設備、移動設備和樓宇個人域網之間的短距離數據交換（使用2.4-2.485GHz的ISM波段的UHF無線電波）。

藍牙5.0在低功耗模式下具備更快更遠的傳輸能力，傳輸速率是藍牙4.2的兩倍（速度上限為2Mbps)，有效傳輸距離是藍牙4.2的四倍（理論上可達300米)，數據包容量是藍牙4.2的八倍，支持室內定位導航，且針對IoT專門優化。

2.1.2 WIFI

Wi-Fi是一種允許電子設備連接到一個無線局域網（WLAN)的技術，通常使用2.4G UHF或5G SHFISM射頻頻段。

最新的Wi-Fi6支持9.6Gbps的傳輸速率以及低至20ms的時延。

2.1.3 ZigBee

ZigBee是基于IEEE802.15.4標準的低功耗局域網協議。

其特點是近距離、低復雜度、自組網、低功耗、低數據速率。

2.1.4 Z-Wave

Z-Wave是一種新興的基于射頻的、低成本、低功耗、高可靠、適于網絡的短距離無線通信技術。

2.2短距無線通信技術對比

要熟悉這幾種技術的典型場景

2.3蜂窩網絡

2.3.1 2G

2G即第二代移動通信技術（2th Generation），主要的第二代手機通訊技術規格標準有:

GSM、IDEN、IS-136(也叫做D一AMPS )、IS-95(也叫做cdmaOne )、 PDC (Personal Digital Cellular )

GSM（Global System for Mobile Communications），中文為全球移動通信系統。

GPRS ( General Packet Radio Service )是通用分組無線服務技術的簡稱，它是GSM移動電話用戶可用的一種移動數據業務。GPRS可以說是GSM的延續。

2.3.2 3G

3G是第三代移動通信技術，是指支持高速數據傳輸的蜂窩移動通信技術。

目前3G存在3種標準∶CDMA2000、WCDMA、TD-SCDMA。

2.3.3 4G

4G，第四代移動電話行動通信標準。該技術包括TD-LTE和FDD-LTE兩種制式。

2.3.4 LTE-Cat

這個Cat不是貓咪，而是指LTE Category，字面意思是LTE的Ue-Category設置。Ue-Category指的是UE的接入能力等級，也就是UE能夠支持的傳輸速率的等級，比如LTE Cat4就是指終端LTE網絡接入能力等級為4。

UE: User Equipment，用戶設備

LTE-Cat.1支持高達10Mbps的終端下行鏈路速率，從而能夠以更低的功耗和更低的成本loT設備連接到LTE網絡。

2.3.5. 5G

隨著科技快速發展，2025年全世界希望達到：萬物感知、萬物互聯、萬物智能

為了這一愿景，一項新的通信技術——5G應運而生。

5G六大創新點

（1）三大革新技術：新架構、新空口、全頻譜

（2）統一全球通信標準，結束了3、4G紛繁的制式分類時代。

（3）四大性能指標：時延低至1ms、吞吐率達到10Gpbs、連接數達到100萬/平方公里、網絡切片

（4）5G核心網NGC四大特征業務：控制承載分離、移動邊緣計算、網絡功能重構、網絡切片

NGC ( Next Generation Core ) : 5G核心網

MEC (Mobile Edge Computing )∶移動邊緣計算，是在靠近移動用戶的RAN網絡中為用戶提供基于IT架構和云計算的能力。MEC為應用開發者和內容提供者提供了極度低時延、高帶寬，以及可以直接獲取的實時無線網絡信息（如用戶位置、基站負載等）的業務環境，從而使得他們能夠為用戶提供差異化的業務和服務。

（5） 兩種組網方式：非獨立組網NSA、獨立組網SA

受限于成本，3GPP提出了非獨立組網（NSA）的方式讓運營商逐漸過渡到5G網絡。NSA采用4/5G基站+4G核心網EPC的方式，達到部分5G標準，而SA則是5G核心網NGC+5G基站gNB，真正達到5G標準。

（6） 全面的部署頻段：5G在高頻段+低頻段全面部署。

低頻段：Sub-3GHz: 3000MHz以下，雖然輸速率低但覆蓋范圍廣，主要用于解決覆蓋問題。C-Band: 3000MHz~6000MHz，主要用于解決容量問題（同一時間可接入更多用戶）。

高頻段：mmWave毫米波：主要用于解決熱點問題（高速率）。

5G三大應用場景

5G三大應用場景有eMBB、mMTC和uRLLC。

（1）eMBB

增強型移動互聯網業務eMBB (Enhanced Mobile Broadband )，典型應用有VR、AR、MR

虛擬現實( Virtual Reality )、增強現實(Augmented Reality)、混合現實(Mixed Reality也有一種說法是Mediated Reality )。

（2）mMTC

海量連接的物聯網業務mMTC (Massive Machine Type Communication)，典型應用有智慧城市、智慧農業等有大量設備接入的場景。

（3）uRLL

超高可靠性與超低時延業務uRLLC ( Ultra Reliable & Low Latency Communication ),典型應用有車聯網自動駕駛、智慧醫療等場景。

在5G的三個應用場景中，mMTC與uRLLC場景和物聯網強相關。

2.4 LPWA通信技術

LPWA ( Low-Power Wide-Area)場景，即低功耗廣覆蓋網絡場景。

2.4.1 SigFox

SigFox網絡利用了超窄帶UNB技術，傳輸功耗水平非常低，并仍然能維持一個穩定的數據連接。

2.4.2 LoRa

LoRa是"Long Range"的縮寫，由LoRa聯盟維護管理，是一種基于物理層實現網絡數據通信的技術，支持雙向數據傳輸，符合一系列開源標準。LoRa使用未授權頻譜來支持服務。

2.4.3 NB-IoT

針對部分無源、小包、偶發的通信需求，NB-IoT技術應運而生，2020年NB-IoT被納入5G標準。

NB-IoT關鍵特性

NB-IoT具有超低成本、超低功耗、超強覆蓋、超大連接的特點。

（1）超低成本

靈活部署

NB-IoT支持3種部署方式:獨立部署( Stand-alone )、保護帶部署(Guard-band ) .帶內部署( Inband )，因此NB-IoT可以靈活的部署在運營商現有的通信網絡，降低了網絡建設和維護成本

獨立部署模式:可以利用單獨的頻帶，適合用于GSM頻段的重耕;

保護帶部署模式:可以利用LTE系統中邊緣無用頻帶;

帶內模式:可以利用LTE載波中間的任何資源塊。

物聯網定制通信芯片

通過只滿足物聯網專項需求，簡化多余功能、算法，裁剪不必要的物理硬件模塊，從而達到降低芯片成本的目的。

（2）超低功耗

DRX、eDRX與PSM

你和女朋友異地戀，肯定要經常聯系不讓感情褪色，設備間也一樣。

DRX就像你們剛開始異地戀一樣，每個小時都恨不得打個電話聯系下（短周期聯絡），但這樣很費精力（耗電高）。

而eDRX就像你們異地戀一段時間后，熱情減少，可能隔兩三天才打個電話聯系下（尋呼時間窗口），這樣精力耗費的少（耗電低）。

經過很長一段時間后，你們都厭倦了這樣的狀態，隔半個月才聯系一次（尋呼監控態），這樣你們都有大量精力去做其他事（耗電超低），你們還約定聯系的時候要將這半個月發生的事情分享給對方（命令緩存下發），這樣的相處方式讓雙方既不疲憊又能保持新鮮感，美滋滋。

DRX與eDRX通訊圖示

Idle態：設備休眠，不接受信息

PTW: Paging Time Window，尋呼時間窗口。在PTW時間內UE進行paging尋呼消息的檢測。

DRX:Discontinuous Reception，非連續接收技術，指的是不連續接收尋呼消息。DRX是無線通信終端節省電量的重要方法，對下行業務時延要求較高的業務適用DRX模式。DRX周期短，可為1.28s、2.56s、5.12s或者10.24s，其周期由運營商網絡側設置決定。

eDRX: Extended DRX，擴展非連續性接收，是在DRX基礎上進行擴展，需要NB-loT終端與核心網之間進行能力協商，eDRX省電技術進一步延長終端在空閑模式下的睡眠周期，減少接收單元不必要的啟動。eDRX周期最長可設置為2.92h。

PSM通訊圖示

在PSM模式下，終端仍舊注冊在網，但信令不可達，從而使終端更長時間駐留在深睡眠以達到省電的目的。終端在PSM(省電模式）下時，業務平臺下發的控制指令不能實時到達終端，下行的控制指令需要先緩存在loT平臺中。

DRX適合用在共亨單車等對設備在線時間要求高的場合

eDRX適合用在智慧物流等對設備在線時間要求較低的場合

PSM適合用在智能抄表等對設備在線時間要求極低的場合

（3）超強覆蓋

功率譜密度提升

重復發送

功率譜密度提升:通過上下行物理信道格式、調制規范的重新定義，使得上下行控制信息與業務信息可以在相對LTE更窄的帶寬中發送，相同發射功率下的PSD(PowerSpectrumDensity)增益更大，降低接收方的解調要求。

重復發送:引入重復發送的編碼方式，通過重復提升信道條件惡劣時的傳輸可靠性。

（4）超大連接

減小空口信令開銷

NB一loT基于對業務時延不敏感，可以設計更多的用戶接入，保存更多的用戶上下文，這樣可以讓50k作用的終端同時在一個小區，大量終端處于休眠態，但是上下文信息由基站和核心網維持，一旦有數據發送，可以迅速進入激活態。

降低資源使用

2G/3G/4G的調度顆粒較大，NB-loT因為基于窄帶，調度顆粒小很多，在同樣的資源情況下，資源的利用率會更高。

2.4.4 eMTC

eMTC是愛立信提出的無線物聯網解決方案。eMTc基于LTE接入技術設計了無線物聯網絡的軟特性，主要面向低速率、深度覆蓋、低功耗、大連接的物聯網應用場景。

相對于NB-loT，eMTC速率更高，可達1Mbps，但覆蓋較小，功耗較大，容量也較小。另外，eMTC提供一定的語音通信能力。

2.4.5 LPWA技術對比

SubG:1Ghz以下

NB-IoT大部分部署在SubG頻段，但中國聯通因成本原因將NB-IoT布置在1800Mhz頻段上

2.5 無線通信技術對比

三、工業物聯網關

由于工業環境一般較為復雜，物聯網在工業領域面臨著四大挑戰：

環境惡劣、接口要求豐富、安全威脅、網絡維護難度高

因此，針對這些挑戰的工業物聯網關應運而生了

工業物聯網關是專為工業領域物聯網應用設計，集成路由、交換、無線和安全于一體的融合網關。

它具備有工業級標準設計、豐富的接口&協議、邊緣計算、安全加密、集中管理等能力。

四、家庭物聯網關

4.1未來的家庭網絡

隨著消費水平與科技的發展，家庭中的網絡結構變得愈發復雜。

家庭網絡結構已由過去的點對點模式發展為現在的星形模式，并將在未來發展為網狀模式，其中智能ONT是關鍵的一環。

ONT(Optical network terminal，光網絡終端)，是xpon網絡接入方案中的產品，一種智能家庭網關。

未來，智能網關是整個智慧家庭網絡的核心，是家庭網絡互聯中樞。

STB ( Set Top Box)數字視頻變換盒，通常稱作機頂盒或機上盒，是一個連接電視機與外部信號源的設備。它可以將壓縮的數字信號轉成電視內容，并在電視機上顯示出來。信號可以來自有線電纜、衛星天線、寬帶網絡以及地面廣播。機頂盒接收的內容除了模擬電視可以提供的圖像、聲音之外，更在于能夠接收數字內容，包括電子節目指南、因特網網頁、字幕等等。使用戶能在現有電視機上觀看數字電視節目，并可通過網絡講行交互式數空化娛樂、教育和商業化活動。

4.2智能ONT技術

4.2.1智能ONT的關鍵業務

(1) 針對不同用戶業務智能提速

對于游戲提供時延優化、下載和視頻提高網速優化、網盤業務上行優化等。

(2) 家庭WiFi無縫覆蓋

三種擴展方案

(3) 智能互聯

(4) 智能運維

家庭網絡可視可管

網絡測速

故障檢測

診斷維護

主動通知

4.2.2智能ONT一個核心兩個開放的架構

(1) 以智能ONT為核心，成為管道和用戶的樞紐。

(2) 面向家庭能力開放，可以提供包括智能wi-Fi全覆蓋以及USB Dongle擴展物聯網聯接的能力，真正做到無所不在，無所不聯。

(3) 面向管道能力開放，把彈性管道從運營商機房延伸到用戶家里;面向家庭能力開放，作為智慧家庭的核心，整合應用，打造平臺。

4.3華為HiLink平臺

華為HiLink智能家居開發者平臺提供整套解決方案，并建設開發者社區，為開發者提供全方位的指導，幫助開發者從開發環境搭建到集成、測試，提供一站式的開發服務。

4.3.1HiLink平臺四大優勢

(1) 開放共建:為開發者提供一站式的開發服務。

(2) 簡單易用:一鍵聯網，APp統一管理智能硬件。

(3) 安全可靠:端到端的差異化的芯片級安全能力。

(4) 低成本:資源占用小，降低了設備智能化的成本。

4.3.2HiLink平臺兩種接入方式

(1) 硬件直連接入

通過HiLink SDK、華為LiteOs認證的Wi-Fi模組，在固件側面向HiLink云做開發，集成連接能力并加入到HiLink生態。

(2) 云接入

通過基于Oauth 2.0的賬號綁定授權能力，與華為HiLink云之間建立對接，共享設備到HiLink云，使設備被華為1+8的終端展示和控制。

五、邊緣計算

5.1什么是邊緣計算？

簡單點說，就是把一部分云端的數據處理任務放在靠近終端的邊緣節點上進行處理，這種方式叫做邊緣計算，它具有低時延、高可靠、高隱私性等特點。

在靠近終端的網絡邊緣節點上，提供連接、計算、存儲、控制與應用功能，滿足用戶實時、智能、安全和數據聚合等需求。借助成熟的通信技術，在位于網絡邊緣的節點上分布式部署計算、存儲、安全等能力，把中心節點的計算、存儲、通信壓力分散到計算能力稍弱的邊緣節點，同時實現了服務的低時延、高可靠、低成本，也有效地保護了用戶的邊緣隱私，支持網絡從成本中心向商業價值中心的轉移。

5.2邊緣計算架構分層

ECC將邊緣計算架構分成四個層次域:應用域、數據域、網絡域、設備域。

ECC:邊緣計算聯盟

六、通信組網技術

網絡拓撲( Network Topology)結構是指利用傳輸介質互連各種設備的物理布局。指構成網絡成員間特定的物理的（即真實的)、或者邏輯的（即虛擬的）排列方式。如果兩個網絡的連接結構相同即它們的網絡拓撲相同，盡管它們各自內部的物理接線、節點間距離可能會有不同。

6.1星型拓撲結構

星型拓撲( Star Topology）是指網絡中的各節點設備通過一個網絡集中設備（如集線器HUB或者交換機Switch)連接在一起，各節點呈星狀分布的網絡連接方式。

優點：結構簡單、便于管理、建網方便、網絡延遲時間較小、傳輸誤差較低。

缺點：成本高、可靠性較低、資源共享能力較差。

6.2環型拓撲結構

環形網絡拓撲(英文: Ring Topology)環型結構在LAN中使用較多。數據在環路中沿著一個方向在各個節點間傳輸，信息從一個節點傳到另一個節點。這種結構顯而易見消除了端用戶通信時對中心系統的依賴性。

優點：路徑控制簡單、控制軟件簡單、傳輸距離遠、傳輸延遲準確。

缺點：響應時間長、不便于擴充、可靠性低、維護難。

6.3總線型拓撲結構

總線拓撲(英文:Bus Topology)，又稱總線網絡(Bus Network);在該節點連接以Daisy Chain由直線之總線序列。由于該拓撲是由一條主纜線串接所有的電腦或其他網絡設備，因此也稱為線性總線(Linear Bus)。

優點:方便連接于電腦或外設線性總線、比星狀拓撲較少的電纜長度、非常適合用于小型網絡。

缺點:主纜中斷，整個網絡也將跟著中斷、網絡中斷時，很難找出問題、設備多時，傳輸速度會變慢。

6.4Mesh型拓撲結構

采用網狀Mesh拓撲結構，是一種多點到多點網絡拓撲結構。在這種Mesh網絡結構中，各網絡節點通過相鄰其他網絡節點，以無線多跳方式相連。

Mesh網絡具有可臨時組網、快速展開、無控制中心、抗毀性強等特點。

總結

本次文章主要介紹了物聯網技術中內容最多的網絡層的技術介紹，下一次將會從平臺層進行介紹。

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