物联网技术之网络层技术

本文目录

前言

一、物联网有线通信技术

1.1以太网

1.2串口通讯

1.3通用串行总线USB

1.4 M-Bus

1.5电力载波PLC

1.6 有线通信技术对比

二、物联网无线通信技术

2.1短距无线通信技术

2.1.1蓝牙

2.1.2 WIFI

2.1.3 ZigBee

2.1.4 Z-Wave

2.2短距无线通信技术对比

2.3蜂窝网络

2.3.1 2G

2.3.2 3G

2.3.3 4G

2.3.4 LTE-Cat

2.3.5. 5G

2.4 LPWA通信技术

2.4.1 SigFox

2.4.2 LoRa

2.4.3 NB-IoT

2.4.4 eMTC

2.4.5 LPWA技术对比

2.5 无线通信技术对比

三、工业物联网关

四、家庭物联网关

4.1未来的家庭网络

4.2智能ONT技术

4.2.1智能ONT的关键业务

4.2.2智能ONT一个核心两个开放的架构

4.3华为HiLink平台

4.3.1HiLink平台四大优势

4.3.2HiLink平台两种接入方式

五、边缘计算

5.1什么是边缘计算？

5.2边缘计算架构分层

六、通信组网技术

6.1星型拓扑结构

6.2环型拓扑结构

6.3总线型拓扑结构

6.4Mesh型拓扑结构

总结

前言

本文将主要介绍HCIA-IoT认证物联网技术中网络层的主要技术

本文面向人群：ICT从业人员、学生

在 [HCIA-IoT]篇物联网起源与发展中我们知道物联网可分为四层，分别是感知层、网络层、平台层和应用层四层。

我的分享也将按这个结构开展，其中网络层是知识内容最多也是最重要的一层，所以本次先带来网络层技术概览。

一、物联网有线通信技术

1.1以太网

即我们常用的网线，以太网(Ethernet)是当前TCP/IP主要的局域网技术，使用传播电磁波的介质以太(Ether)来命名。

基站上有三种接口:一个ETH口、两个FE/GE口和两个SFP口。其中SFP口就是使用光纤传输的千兆光口。

ETH的意思是标准以太网，传输速率为10Mbps。

FE的意思是快速以太网（Fast Ethernet )，传输速率为100Mbps。

GE的意思是干兆以太网(Gigabit Ethernet )，传输速率为1000Mbps。

FE/GE的意思就是百兆/千兆自适应网口，根据对端连接交换机的速率来确定。

1.2串口通讯

常用的串口通讯协议有RS-232和RS-485

RS-485像是RS232的升级版

1.3通用串行总线USB

这个我们比较熟悉，USB接口可主要有四种

1.4 M-Bus

M-Bus ( Meter Bus ) —―户用仪表总线，它是一种专门为消耗测量仪器和计数器传送信息的数据总线设计的。

M-Bus的最大传输距离为1000m，且M-Bus可为现场小功率设备供电。

1.5电力载波PLC

这个PLC不是机器，而是通信技术。

电力线通信（Power Line Communication，PLC)技术是指利用电力线传输数据和媒体信号的一种通信方式。

该技术是把载有信息的高频加载于电流然后用电线传输，接受信息的适配器再把高频从电流中分离出来并传送到计算机或电话以实现信息传递。

该技术需在恒定电压下使用，所以不能通过变压设备。

1.6 有线通信技术对比

二、物联网无线通信技术

2.1短距无线通信技术

2.1.1蓝牙

蓝牙(Bluetooth ):∶是一种无线技术标准，可实现固定设备、移动设备和楼宇个人域网之间的短距离数据交换（使用2.4-2.485GHz的ISM波段的UHF无线电波）。

蓝牙5.0在低功耗模式下具备更快更远的传输能力，传输速率是蓝牙4.2的两倍（速度上限为2Mbps)，有效传输距离是蓝牙4.2的四倍（理论上可达300米)，数据包容量是蓝牙4.2的八倍，支持室内定位导航，且针对IoT专门优化。

2.1.2 WIFI

Wi-Fi是一种允许电子设备连接到一个无线局域网（WLAN)的技术，通常使用2.4G UHF或5G SHFISM射频频段。

最新的Wi-Fi6支持9.6Gbps的传输速率以及低至20ms的时延。

2.1.3 ZigBee

ZigBee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗局域网协议。

其特点是近距离、低复杂度、自组网、低功耗、低数据速率。

2.1.4 Z-Wave

Z-Wave是一种新兴的基于射频的、低成本、低功耗、高可靠、适于网络的短距离无线通信技术。

2.2短距无线通信技术对比

要熟悉这几种技术的典型场景

2.3蜂窝网络

2.3.1 2G

2G即第二代移动通信技术（2th Generation），主要的第二代手机通讯技术规格标准有:

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），中文为全球移动通信系统。

GPRS ( General Packet Radio Service )是通用分组无线服务技术的简称，它是GSM移动电话用户可用的一种移动数据业务。GPRS可以说是GSM的延续。

2.3.2 3G

3G是第三代移动通信技术，是指支持高速数据传输的蜂窝移动通信技术。

目前3G存在3种标准∶CDMA2000、WCDMA、TD-SCDMA。

2.3.3 4G

4G，第四代移动电话行动通信标准。该技术包括TD-LTE和FDD-LTE两种制式。

2.3.4 LTE-Cat

这个Cat不是猫咪，而是指LTE Category，字面意思是LTE的Ue-Category设置。Ue-Category指的是UE的接入能力等级，也就是UE能够支持的传输速率的等级，比如LTE Cat4就是指终端LTE网络接入能力等级为4。

UE: User Equipment，用户设备

LTE-Cat.1支持高达10Mbps的终端下行链路速率，从而能够以更低的功耗和更低的成本loT设备连接到LTE网络。

2.3.5. 5G

随着科技快速发展，2025年全世界希望达到：万物感知、万物互联、万物智能

为了这一愿景，一项新的通信技术——5G应运而生。

5G六大创新点

（1）三大革新技术：新架构、新空口、全频谱

（2）统一全球通信标准，结束了3、4G纷繁的制式分类时代。

（3）四大性能指标：时延低至1ms、吞吐率达到10Gpbs、连接数达到100万/平方公里、网络切片

（4）5G核心网NGC四大特征业务：控制承载分离、移动边缘计算、网络功能重构、网络切片

NGC ( Next Generation Core ) : 5G核心网

MEC (Mobile Edge Computing )∶移动边缘计算，是在靠近移动用户的RAN网络中为用户提供基于IT架构和云计算的能力。MEC为应用开发者和内容提供者提供了极度低时延、高带宽，以及可以直接获取的实时无线网络信息（如用户位置、基站负载等）的业务环境，从而使得他们能够为用户提供差异化的业务和服务。

（5） 两种组网方式：非独立组网NSA、独立组网SA

受限于成本，3GPP提出了非独立组网（NSA）的方式让运营商逐渐过渡到5G网络。NSA采用4/5G基站+4G核心网EPC的方式，达到部分5G标准，而SA则是5G核心网NGC+5G基站gNB，真正达到5G标准。

（6） 全面的部署频段：5G在高频段+低频段全面部署。

低频段：Sub-3GHz: 3000MHz以下，虽然输速率低但覆盖范围广，主要用于解决覆盖问题。C-Band: 3000MHz~6000MHz，主要用于解决容量问题（同一时间可接入更多用户）。

高频段：mmWave毫米波：主要用于解决热点问题（高速率）。

5G三大应用场景

5G三大应用场景有eMBB、mMTC和uRLLC。

（1）eMBB

增强型移动互联网业务eMBB (Enhanced Mobile Broadband )，典型应用有VR、AR、MR

虚拟现实( Virtual Reality )、增强现实(Augmented Reality)、混合现实(Mixed Reality也有一种说法是Mediated Reality )。

（2）mMTC

海量连接的物联网业务mMTC (Massive Machine Type Communication)，典型应用有智慧城市、智慧农业等有大量设备接入的场景。

（3）uRLL

超高可靠性与超低时延业务uRLLC ( Ultra Reliable & Low Latency Communication ),典型应用有车联网自动驾驶、智慧医疗等场景。

在5G的三个应用场景中，mMTC与uRLLC场景和物联网强相关。

2.4 LPWA通信技术

LPWA ( Low-Power Wide-Area)场景，即低功耗广覆盖网络场景。

2.4.1 SigFox

SigFox网络利用了超窄带UNB技术，传输功耗水平非常低，并仍然能维持一个稳定的数据连接。

2.4.2 LoRa

LoRa是"Long Range"的缩写，由LoRa联盟维护管理，是一种基于物理层实现网络数据通信的技术，支持双向数据传输，符合一系列开源标准。LoRa使用未授权频谱来支持服务。

2.4.3 NB-IoT

针对部分无源、小包、偶发的通信需求，NB-IoT技术应运而生，2020年NB-IoT被纳入5G标准。

NB-IoT关键特性

NB-IoT具有超低成本、超低功耗、超强覆盖、超大连接的特点。

（1）超低成本

灵活部署

NB-IoT支持3种部署方式:独立部署( Stand-alone )、保护带部署(Guard-band ) .带内部署( Inband )，因此NB-IoT可以灵活的部署在运营商现有的通信网络，降低了网络建设和维护成本

独立部署模式:可以利用单独的频带，适合用于GSM频段的重耕;

保护带部署模式:可以利用LTE系统中边缘无用频带;

带内模式:可以利用LTE载波中间的任何资源块。

物联网定制通信芯片

通过只满足物联网专项需求，简化多余功能、算法，裁剪不必要的物理硬件模块，从而达到降低芯片成本的目的。

（2）超低功耗

DRX、eDRX与PSM

你和女朋友异地恋，肯定要经常联系不让感情褪色，设备间也一样。

DRX就像你们刚开始异地恋一样，每个小时都恨不得打个电话联系下（短周期联络），但这样很费精力（耗电高）。

而eDRX就像你们异地恋一段时间后，热情减少，可能隔两三天才打个电话联系下（寻呼时间窗口），这样精力耗费的少（耗电低）。

经过很长一段时间后，你们都厌倦了这样的状态，隔半个月才联系一次（寻呼监控态），这样你们都有大量精力去做其他事（耗电超低），你们还约定联系的时候要将这半个月发生的事情分享给对方（命令缓存下发），这样的相处方式让双方既不疲惫又能保持新鲜感，美滋滋。

DRX与eDRX通讯图示

Idle态：设备休眠，不接受信息

PTW: Paging Time Window，寻呼时间窗口。在PTW时间内UE进行paging寻呼消息的检测。

DRX:Discontinuous Reception，非连续接收技术，指的是不连续接收寻呼消息。DRX是无线通信终端节省电量的重要方法，对下行业务时延要求较高的业务适用DRX模式。DRX周期短，可为1.28s、2.56s、5.12s或者10.24s，其周期由运营商网络侧设置决定。

eDRX: Extended DRX，扩展非连续性接收，是在DRX基础上进行扩展，需要NB-loT终端与核心网之间进行能力协商，eDRX省电技术进一步延长终端在空闲模式下的睡眠周期，减少接收单元不必要的启动。eDRX周期最长可设置为2.92h。

PSM通讯图示

在PSM模式下，终端仍旧注册在网，但信令不可达，从而使终端更长时间驻留在深睡眠以达到省电的目的。终端在PSM(省电模式）下时，业务平台下发的控制指令不能实时到达终端，下行的控制指令需要先缓存在loT平台中。

DRX适合用在共亨单车等对设备在线时间要求高的场合

eDRX适合用在智慧物流等对设备在线时间要求较低的场合

PSM适合用在智能抄表等对设备在线时间要求极低的场合

（3）超强覆盖

功率谱密度提升

重复发送

功率谱密度提升:通过上下行物理信道格式、调制规范的重新定义，使得上下行控制信息与业务信息可以在相对LTE更窄的带宽中发送，相同发射功率下的PSD(PowerSpectrumDensity)增益更大，降低接收方的解调要求。

重复发送:引入重复发送的编码方式，通过重复提升信道条件恶劣时的传输可靠性。

（4）超大连接

减小空口信令开销

NB一loT基于对业务时延不敏感，可以设计更多的用户接入，保存更多的用户上下文，这样可以让50k作用的终端同时在一个小区，大量终端处于休眠态，但是上下文信息由基站和核心网维持，一旦有数据发送，可以迅速进入激活态。

降低资源使用

2G/3G/4G的调度颗粒较大，NB-loT因为基于窄带，调度颗粒小很多，在同样的资源情况下，资源的利用率会更高。

2.4.4 eMTC

eMTC是爱立信提出的无线物联网解决方案。eMTc基于LTE接入技术设计了无线物联网络的软特性，主要面向低速率、深度覆盖、低功耗、大连接的物联网应用场景。

相对于NB-loT，eMTC速率更高，可达1Mbps，但覆盖较小，功耗较大，容量也较小。另外，eMTC提供一定的语音通信能力。

2.4.5 LPWA技术对比

SubG:1Ghz以下

NB-IoT大部分部署在SubG频段，但中国联通因成本原因将NB-IoT布置在1800Mhz频段上

2.5 无线通信技术对比

三、工业物联网关

由于工业环境一般较为复杂，物联网在工业领域面临着四大挑战：

环境恶劣、接口要求丰富、安全威胁、网络维护难度高

因此，针对这些挑战的工业物联网关应运而生了

工业物联网关是专为工业领域物联网应用设计，集成路由、交换、无线和安全于一体的融合网关。

它具备有工业级标准设计、丰富的接口&协议、边缘计算、安全加密、集中管理等能力。

四、家庭物联网关

4.1未来的家庭网络

随着消费水平与科技的发展，家庭中的网络结构变得愈发复杂。

家庭网络结构已由过去的点对点模式发展为现在的星形模式，并将在未来发展为网状模式，其中智能ONT是关键的一环。

ONT(Optical network terminal，光网络终端)，是xpon网络接入方案中的产品，一种智能家庭网关。

未来，智能网关是整个智慧家庭网络的核心，是家庭网络互联中枢。

STB ( Set Top Box)数字视频变换盒，通常称作机顶盒或机上盒，是一个连接电视机与外部信号源的设备。它可以将压缩的数字信号转成电视内容，并在电视机上显示出来。信号可以来自有线电缆、卫星天线、宽带网络以及地面广播。机顶盒接收的内容除了模拟电视可以提供的图像、声音之外，更在于能够接收数字内容，包括电子节目指南、因特网网页、字幕等等。使用户能在现有电视机上观看数字电视节目，并可通过网络讲行交互式数空化娱乐、教育和商业化活动。

4.2智能ONT技术

4.2.1智能ONT的关键业务

(1) 针对不同用户业务智能提速

对于游戏提供时延优化、下载和视频提高网速优化、网盘业务上行优化等。

(2) 家庭WiFi无缝覆盖

三种扩展方案

(3) 智能互联

(4) 智能运维

家庭网络可视可管

网络测速

故障检测

诊断维护

主动通知

4.2.2智能ONT一个核心两个开放的架构

(1) 以智能ONT为核心，成为管道和用户的枢纽。

(2) 面向家庭能力开放，可以提供包括智能wi-Fi全覆盖以及USB Dongle扩展物联网联接的能力，真正做到无所不在，无所不联。

(3) 面向管道能力开放，把弹性管道从运营商机房延伸到用户家里;面向家庭能力开放，作为智慧家庭的核心，整合应用，打造平台。

4.3华为HiLink平台

华为HiLink智能家居开发者平台提供整套解决方案，并建设开发者社区，为开发者提供全方位的指导，帮助开发者从开发环境搭建到集成、测试，提供一站式的开发服务。

4.3.1HiLink平台四大优势

(1) 开放共建:为开发者提供一站式的开发服务。

(2) 简单易用:一键联网，APp统一管理智能硬件。

(3) 安全可靠:端到端的差异化的芯片级安全能力。

(4) 低成本:资源占用小，降低了设备智能化的成本。

4.3.2HiLink平台两种接入方式

(1) 硬件直连接入

通过HiLink SDK、华为LiteOs认证的Wi-Fi模组，在固件侧面向HiLink云做开发，集成连接能力并加入到HiLink生态。

(2) 云接入

通过基于Oauth 2.0的账号绑定授权能力，与华为HiLink云之间建立对接，共享设备到HiLink云，使设备被华为1+8的终端展示和控制。

五、边缘计算

5.1什么是边缘计算？

简单点说，就是把一部分云端的数据处理任务放在靠近终端的边缘节点上进行处理，这种方式叫做边缘计算，它具有低时延、高可靠、高隐私性等特点。

在靠近终端的网络边缘节点上，提供连接、计算、存储、控制与应用功能，满足用户实时、智能、安全和数据聚合等需求。借助成熟的通信技术，在位于网络边缘的节点上分布式部署计算、存储、安全等能力，把中心节点的计算、存储、通信压力分散到计算能力稍弱的边缘节点，同时实现了服务的低时延、高可靠、低成本，也有效地保护了用户的边缘隐私，支持网络从成本中心向商业价值中心的转移。

5.2边缘计算架构分层

ECC将边缘计算架构分成四个层次域:应用域、数据域、网络域、设备域。

ECC:边缘计算联盟

六、通信组网技术

网络拓扑( Network Topology)结构是指利用传输介质互连各种设备的物理布局。指构成网络成员间特定的物理的（即真实的)、或者逻辑的（即虚拟的）排列方式。如果两个网络的连接结构相同即它们的网络拓扑相同，尽管它们各自内部的物理接线、节点间距离可能会有不同。

6.1星型拓扑结构

星型拓扑( Star Topology）是指网络中的各节点设备通过一个网络集中设备（如集线器HUB或者交换机Switch)连接在一起，各节点呈星状分布的网络连接方式。

优点：结构简单、便于管理、建网方便、网络延迟时间较小、传输误差较低。

缺点：成本高、可靠性较低、资源共享能力较差。

6.2环型拓扑结构

环形网络拓扑(英文: Ring Topology)环型结构在LAN中使用较多。数据在环路中沿着一个方向在各个节点间传输，信息从一个节点传到另一个节点。这种结构显而易见消除了端用户通信时对中心系统的依赖性。

优点：路径控制简单、控制软件简单、传输距离远、传输延迟准确。

缺点：响应时间长、不便于扩充、可靠性低、维护难。

6.3总线型拓扑结构

总线拓扑(英文:Bus Topology)，又称总线网络(Bus Network);在该节点连接以Daisy Chain由直线之总线序列。由于该拓扑是由一条主缆线串接所有的电脑或其他网络设备，因此也称为线性总线(Linear Bus)。

优点:方便连接于电脑或外设线性总线、比星状拓扑较少的电缆长度、非常适合用于小型网络。

缺点:主缆中断，整个网络也将跟着中断、网络中断时，很难找出问题、设备多时，传输速度会变慢。

6.4Mesh型拓扑结构

采用网状Mesh拓扑结构，是一种多点到多点网络拓扑结构。在这种Mesh网络结构中，各网络节点通过相邻其他网络节点，以无线多跳方式相连。

Mesh网络具有可临时组网、快速展开、无控制中心、抗毁性强等特点。

总结

本次文章主要介绍了物联网技术中内容最多的网络层的技术介绍，下一次将会从平台层进行介绍。

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这是本系列第三篇文章，我将持续分享自己学习HCIA-IoT与参加考试的心得，敬请关注，谢谢大家！

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