物联网无线通信技术

物联网无线通信技术是指车辆、硬件设备、家用电器、公共设施与电子产品、应用软件、控制器、传感器等，分别连接到互联网当中，并通过无线网络技术进行信息交换，如图7-12所示。

图7-12 物联网无线通信技术

无线网络通信是在移动网络通信技术的基础上建立而成的，无线网络与移动网络之间的关系如图7-13所示。无线网络通信技术按照连接方式，大致可以分为两类一类是设备之间可以直接进行通信，不需要借助任何中间设备进行连接，如蓝牙通信技术和红外线通信技术等另一类是设备之间进行通信时，需要借助中间设备进行连接，如Wi-Fi通信技术等。

根据不同的需求，物联网无线通信技术大致可分为两类；短距离无线通信技术和低功耗广域网通信技术。

图7-13 无线网络和移动网络之间的关系

7.3.1短距离无线通信技术

适用于物联网的短距离通信技术主要包括 Wi-Fi、蓝牙、射频识别以及Zghee 等通信技术。

1.Wi-Fi 通信技术

Wi-Fi是Wireless Fidelity的英文缩写，是无线局域网络认证标准。Wi-Fi 又称之为IE 802.11标准，IEEE 802.11标准是全球目前无线局域网的通用标准。最早的IEEE 802.11标准发表于1997年，标准中定义了 WLAN 的MAC 层和物理地址标准。MAC是Media AccessControl 的英文缩写，即媒介访问控制。MAC 地址又称局域网地址或以太网地址。MAC地址是出厂时设定好的，不可以自行进行修改，另外它具有唯一性的特点。目前常用的版本为IEEE802.11n、IEEE802.1lp、IEEE802.1lac，而 IEE802.11p是车用电子的无线通信标准。

Wi-Fi通信的必要条件是无线路由器和具有无线网卡的硬件设备。Wi-Fi通信技术的优势在于∶无线电波覆盖范围较广，在室内最远覆盖距离可达 100m左右，室外最远覆盖距离为400m左右；传输速率较高；无线数据传播模式。Wi-Fi通信技术也存在一定的缺点∶安全性较低、易受干扰、功耗较高、组网能力低。

2.蓝牙通信技术

蓝牙是一种适用于短距离范围内的无线通信标准。目前最新版本为蓝牙5.0标准，2016年由蓝牙技术联盟提出。蓝牙的优点在于；功耗低、低延时、具有较高的安全性、有效范围内可无视障碍物进行连接。蓝牙的缺点在于∶传输距离较短、传输速率不高。

3. 射频识别通信技术

RFID是 Radio Frequency Identification的英文缩写，即射频识别。射频识别技术在物联网应用中是一种较为常用的短距离通信技术，它通过无线电信号对目标物体进行自动识别以及数据信息的读取工作。RFID通信由电子标签、读写器和应用软件三部分构成，如图7-14所示。

图7-14 RFID的构成

RFID通信技术具有七大特性∶RFID 通信具有超强的抗干扰性；RFID 电子标签具有相对较高的存储空间、最高可扩充至1MB 以上；可通过编程技术对 RFID 电子标签的数据信息进行动态修改；具有较长的使用寿命；对障碍物的穿透能力较强；可对 RFID 产品设置密码，因此 RFID通信技术具有较高的安全性∶可同时对多个RFID产品进行快速扫描及数据信息的读取。

根据RFID技术的特性，可将RFID 产品可分为三大类∶无源RFID产品、有源 RFID 产品和半有源 RFID 产品。

（1）无源RFID产品 无源 RFID产品本身不携带电池，因而无法自行激活，必须获取到从外部读写器发出的射频信号才能够将自身的电子标签进行激活，所以无源RFID产品只适用于近距离的通信。它的通信范围只能在10m 以内。现在生活中很常见的饭卡、公交卡、门禁卡等都是无源 RFID 产品。

（2）有源RFID产品 有源 RFID 产品自身配有电池，无须使用外部读写器获取射频信号就可自主激活。相对无源 RFID产品而言，有源 RFID产品具有较远距离识别功能，最大识别范围可超过百米。目前有源RFID产品已经广泛应用于物联网系统中，如智慧停车场、智慧交通、智慧农场等区域。

（3）半有源 RFID产品 半有源RFID产品采用低频率激活技术，有效地结合了有源RFID 和无源 RFID的工作特点。半有源RFID产品的工作方式较为特殊，只有在它进入低频信号激活范围时，才被激活使用，其他时间都将处于休眠状态或数据上传状态，不会主动向外界发出射频信号。常见的应用有违章摄像头、交通监视器等。相对于其他短距离通信技术而言，RFID通信技术存在的缺点是通信成本偏高、涉及隐私泄露问题、面对金属物体和有水环境时易受到干扰、没有统一的行业标准规范。

4.Zigbee 通信技术

Zigbee 又称“紫蜂协议”，该技术是一种小范围、低功耗、低速率、低成本的无线自组织网络技术。Zigbee是基于IEEE 802.15.4标准的局域网协议，它所应用的领域范围为自动化领域和远程控制领域。

Zigbee 协议框架总体上来说由两部分构成，一部分是IEEE802.15.4 定义的底层标准协议，另一部分是由 Zigbee 联盟在 IEEE802.15.4的基础上进行扩充的标准协议，如图7-15所示。IEEE802.15.4标准中共两种物理层。第一种是869/915MHz的物理层，其传输速率较低分别为20kbit/s和40kbit/s；第二种是2.4GHz 的物理层，其传输速率相对较高为250kbit/s。

图7-15 Zigbee 协议框架

Zigbee通信技术中的网络节点按照功能可分为协调器、路由器和终端设备，如图7-16所示。其中，协调器的作用∶

①为每个设备都分配一个唯一的网络地址。

②为整个网络选择一个唯一的16位PAN ID。PAN是PersonalArea Network 的英文缩写，即个人局域网。个人局域网是电子设备与通信设备之间进行通信的网络。通过个人局域网ID，就可使网络连接中的各个设备相互间进行通信。

③对网络中传输的数据信息进行初始化、转发和终止服务。路由器的作用如下∶

①允许新加入设备来扩充网络覆盖范围。

②可为休眠状态的终端保存数据信息。

终端设备的作用；主要是对无线网络中的数据信息进行采集。

图7-16 Zigbee 网络节点

Zigbee按照网络拓扑结构，可以划分为星状网络、树状网络和网状网络，如图7-17 所示。

图7-17 Zigbee 的网络拓扑结构

7.3.2 低功耗广域网通信技术

LPWAN是 Low-Power Wide-Area Network 的英文缩写，即低功耗广域网络。LPWAN技术在物联网应用中可实现大范围网络覆盖。LPWAN 技术具有低带宽、低功耗、远距离、海量连接的特点。LPWAN技术可分为两类，一类是在未获得授权频段下使用的技术，如LoRa通信技术；另一类是在授权频段下使用的技术，如NB-IoT通信技术。

1.LoRa 通信技术

LoRa是 Long Range的英文缩写，即远距离大范围无线通信，又称为劳拉。LoRa 通信技术在物联网行业中被广泛应用。LoRa 主要在 ISM频段中进行应用。ISM是IndustrialScientific Medical的英文缩写，即工业的、科学的、医学的。ISM中的频段只对工业、科学以及医学机构进行开放，其最大的特点就是无须进行授权或缴纳任何费用。

LoRaWan是 Long Range Wide Area Network 的英文缩写，即 LoRa 广域网标准。LoRaWAN 属于开放式标准，它规范了LoRa技术在 LPWAN中的通信协议。

LoRa 网络由 LoRa终端设备、基站、应用服务器和云服务器构成，如图7-18 所示。

图7-18 LoRa网络的构成

loRa 通信技术的特点是∶远距离通信，最远可达20km；低功耗；多节点，网络节点可达十万级。LoRa通信技术面临的挑战有∶频段易受到干扰，因此增大网络部署的难度需重新建设网络信号塔和基站。2.NB-IoT通信技术

NB-IoT是 Narrow Band Internet of Things的英文缩写，即窄带物联网技术。NB-1oT 构建于蜂窝网络，只消耗大约180kHz的带宽，可直接部署于 CSM 网络、UMTS 网络或LTE 网络，以降低部署成本、实现平滑升级。NB-IoT通信技术属于物联网领域的一种新技术，它具有广覆盖、低成本、低功耗、支持海量连接等特点。从应用开发角度，NB-IoT应用架构由 NB-IoT终端、NB-IoT信息邮局、NB-IoT人机交互系统三部分组成，如图7-19所示。

图7-19 NB-loT的应用构架

LoRa通信技术与NB-loT通信技术的重要参数之间的数据对比见表7-2.                                               

7.3.3 物联网无线通信技术在智能网联汽车中的应用

智能网联汽车是物联网应用中的一个重要领域。智能网联汽车将导航系统、终端系统以及多种传感器设备通过无线网络技术进行连接，并最终实现车与车、车与公共设施、车与人、车与路、车与云平台之间的信息交换。

车辆在行驶过程中需要进行快速位移活动，因此对网络数据信息的实时性有着较高的要求。所以说，建设一个低延迟、覆盖广、多连接的无线通信网络，是实现并普及智能网联汽车的关键环节。

采用物联网无线通信技术实现智能网联汽车 V2X功能的优势在于∶继承移动网络的全部优点；根据硬件设备或需求的不同，可采用多种技术进行组合应用；低功耗；覆盖范围广。

物联网无线通信技术在智能网联汽车中的应用，可表现为以下几个方面；

1）智能网联汽车在行驶过程中遇到前方出现了紧急情况时，可通过蓝牙通信技术向驾驶人发出提示信息。

2）智能网联汽车在行驶过程中突然发生故障时，可以有两种解决办法。第一种解决方案是通过Wi-Fi通信技术，使用车辆终端系统向服务器平台发送支援请求。第二种解决方案是通过Zigbee网络技术向附近车辆发出支援请求。

3）智能网联汽车在自动驾驶中，可通过射频识别技术获取前方道路信息并对行驶方向进行控制与调整。

4）可通过RoLa和NB-IoT通信技术，打造车与车、车与路、车与互联网的低功耗广域网络。

随着移动网络通信技术和物联网无线通信技术在汽车中的应用，智能网联汽车的V2X功能将全面实