物联网导论Introduction to Internet of Things第章新兴通信技术
1 Introduction to Internet of Things 新兴通信技术 6
承前启后前一章介绍了物联网中移动通信技术与短距离接入技术，以及这些技术的重要作用本章我们主要关注低功耗广域网、毫米波通信、声音通信、可见光通信以及跨协议通信等新兴通信技术的方法和特点
2 承前启后 前一章 介绍了物联网中移动通信技术与短距离接入技术，以及这些技术的重要作用。 本章我们主要关注 低功耗广域网、毫米波通信、声音通信、可见光通信以及跨协议 通信等新兴通信技术的方法和特点
本章内容6.1低功耗广域网6.2毫米波通信6.3声音通信6.4可见光通信6.5跨协议通信3
3 本章内容 6.1 低功耗广域网 6.2 毫米波通信 6.3 声音通信 6.4 可见光通信 6.5 跨协议通信
低功耗广域网的发展物联网发展提出不同类型的应用需求催生出多样化通信协议能耗需求带宽需求距离需求ZigBee'PHREADM5GNR4GLTE精准农业牧场管理城市监控BluetoothWiF大BLE智慧水表动物保护矿藏开采UMTSORFIDO10GS植被监测建筑互联智能物流4
4 低功耗广域网的发展 物联网发展提出不同类型的应用需求 能耗需求 精准农业 智慧水表 植被监测 距离需求 牧场管理 动物保护 智能物流 带宽需求 城市监控 矿藏开采 建筑互联 催生出多样化通信协议
低功耗广域网的发展传统网络技术或不支持远距离通信、或消耗终端大量能量，为满足物联网连接需求，一批远距离、低功耗、低带宽的协议大量涌现。对于这类远距离、低功耗、低带宽的协议，我们统一称之为低功耗广域网（LowPowerWideAreaNetwork）技术远距离乡村区域最远可达10公里Kb/s数量级低速率技术特点<$5低成本低功耗电池寿命超过10年L
5 低功耗广域网的发展 传统网络技术或不支持远距离通信、或消耗终端大量能量，为满足物联网连 接需求，一批远距离、低功耗、低带宽的协议大量涌现。 对于这类远距离、低功耗、低带宽的协议，我们统一称之为低功耗广域网 （Low Power Wide Area Network）技术。 远距离 乡村区域最远可达10公里 低速率 Kb/s 数量级 低成本 <$5 低功耗 电池寿命超过10年
低功耗广域网不同的网络技术分别对应不同的应用场景与需求Wi-Fi高注重网络带宽，通信距离近理想能耗高，更适合家庭上网环WiFi3G境以及多媒体娱乐环境带容蓝牙ZigBee网络宽较小，通信距离近，ZigBeLPWAN能耗高但协议灵活、能耗低低能耗中能耗低远近距离蓝牙3G为代表的蜂窝技术带宽和能耗都介于WiFi与网络带宽大、距离远、能耗高ZigBee之间6
6 低功耗广域网 不同的网络技术分别对应不同的应用场景与需求 电商体量增速迅猛 Wi-Fi 注重网络带宽，通信距离近， 能耗高，更适合家庭上网环 境以及多媒体娱乐环境 电商体量增速迅猛 蓝牙 带宽和能耗都介于WiFi与 ZigBee之间 电商体量增速迅猛 3G为代表的蜂窝技术 网络带宽大、距离远、能耗 高 带 宽 高 低 近 距离 远 蓝牙 ZigBee LPWAN WiFi 3G 理想 能耗高 能耗中 能耗低 电商体量增速迅猛 网络宽较小，通信距离近， 但协议灵活、能耗低 ZigBee
低功耗广域网低功耗广域网特征数据速率：带宽较小，适合数据速率要求低的应用传输距离：传输距离较远，适合数据分布在各家各户的应用通信能耗：一般部署规模大月采用电池供电，为了保证长期工作月避免频繁更换电池，设备的通信能耗应尽可能低低功耗广域网典型应用植被监测智能水表环境治理TTT3E
低功耗广域网 • 数据速率：带宽较小，适合数据速率要求低的应用 • 传输距离：传输距离较远，适合数据分布在各家各户的应用 • 通信能耗：一般部署规模大且采用电池供电，为了保证长期工作且避免频 繁更换电池，设备的通信能耗应尽可能低。 低功耗广域网特征 低功耗广域网典型应用 植被监测 智能水表 环境治理 7
低功耗广域网低功耗广域网技术分类低功耗广域网（LPWAN）私有化组网技术：以LoRa为代表高灵敏物理层调制技术低占空比通信模式私有化组基于蜂窝的工作在免费频段ISM网技术组网技术允许用户通过自行部署网关构建私有化网络系统LoRaNB-IoT基于蜂窝的组网技术：以NB-IoT为代表由电信运营商和设备商主导Sigfox基于既有的3G、4G长距离通信系统简化协议架构、降低占空比，压缩终端能耗LTE-CATWiFi Halow8
低功耗广域网 私有化组网技术：以LoRa 为代表 • 高灵敏物理层调制技术 • 低占空比通信模式 • 工作在免费频段ISM • 允许用户通过自行部署网关构建私有化网络系统 低功耗广域网技术分类 8 基于蜂窝的组网技术：以NB-IoT为代表 • 由电信运营商和设备商主导 • 基于既有的3G、4G长距离通信系统 • 简化协议架构、降低占空比，压缩终端能耗 私有化组 网技术 低功耗广域网 (LPWAN) 基于蜂窝的 组网技术 LoRa Sigfox WiFi Halow NB-IoT LTE-CAT
LoRa协议2013年Semtech公司发布了SX127x系列芯片，LoRa协议自此登上了无线通信的历史舞台2016年，荷兰电信运营公司KPN宣布，荷兰已经成为世界上第一个推出全国性LoRa物联网应用网络的国家包括中兴在内的多家相关企业加入LoRa联盟，进一步推动LoRa协议、芯片和应用平台的发展LORaAlliance"Wide Area Networks for loTO
LoRa协议 9 2013年Semtech公司发布了SX127x系列芯片，LoRa协议自此登上了无线通信的历史 舞台 2016年，荷兰电信运营公司KPN宣布，荷兰已经成为世界上第一个推出全国性LoRa 物联网应用网络的国家 包括中兴在内的多家相关企业加入LoRa联盟，进一步推动LoRa协议、芯片和应用平 台的发展
LoRa为什么能远距离使用线性扩频CSS，频率充满整个带宽抗干扰极强，对多径和多普勒效应的抵抗也更强接收灵敏度高达-148dBm以偏小的数据速率（0.3-50kbps）换取更高的通讯距离（市内3km，郊区15km）504504003502300502001501210014500.20406081.21.1Time (s)Chirp时域波形Chirp频域波形10
LoRa为什么能远距离 10 使用线性扩频CSS，频率充满整个带宽 抗干扰极强，对多径和多普勒效应的抵抗也更强 接收灵敏度高达 -148 dBm 以偏小的数据速率（0.3-50kbps）换取更高的通讯距离（市内3km，郊区15km） Chirp 时域波形 Chirp频域波形