相信很多人都聽過“云管端”這個詞，“云”是指在云端為終端提供服務與支持的設備和軟件。“端”則是指那些可以通過網絡與云端連接的設備（如：手機、電腦、傳感器、執行器、家電等各類終端產品）。而“管”就是連接云和端之間的管道，也就是本文說的物聯網通訊技術。

在物聯網行業，除了“云管端”之外，“邊緣計算”這個詞也是被大家熟知的，不過今天我們主要聊聊物聯網的通訊技術，后期有時間再聊邊緣計算的那些事情。

一、通訊技術總覽

首先根據各類通訊技術的應用和特點，我簡單做了下劃分，如下圖：

WIFI、UWB、藍牙、ZigBee、RFID這幾類都屬于短距離的通訊技術，并且都可以利用其搭建私有網絡（搭建私有網絡是為了支持多設備協同邊緣計算的要求，這個以后有機會細聊），其中WIFI、UWB和藍牙都屬于具備較大通訊速率的技術，可用于音視頻或圖片的傳輸。ZigBee和RFID相比通訊速率就要小很多，不過他們各有其他優勢我們后面詳細說明。

4G、NB-IOT、LoRa、ZETA、Sub-1Ghz（Sub-1Ghz泛指1Ghz以下的通訊）這幾類算是傳輸距離相對較遠的廣域網技術，其中4G和NB-IOT都屬于運營商網絡，也就是搭建這種網絡需要相關牌照，當然對于用戶來說使用運營商網絡也是需要付費的。同時因為其不支持搭建私有網絡，因此也就無法通私有網絡實現多終端協同的邊緣計算了。

LoRa、Sub-1Ghz、ZETA這類廣域低頻的通訊技術是比較適合物聯網的通訊場景，企業可以搭建自己的私有網絡，并且都是屬于免費的頻段不用申請相關牌照即可使用。

二、物聯網通訊技術選型考量因素

上面介紹了幾種通訊技術，下面，我們介紹選擇通訊技術時需要考量的幾個點。下圖的相關技術參數表格，供大家參考（雖然因為一些變量因素會影響到相關參數，不過還是具備參考的價值）

1. 覆蓋范圍

覆蓋范圍是指節點（終端）和網關（基站）的有效通信范圍，是衡量通信技術的一個重要指標。物聯網的應用通常是具備數據量小、設備數量多、分布散等特點，因此覆蓋范圍便是很重要的一個因素。覆蓋范圍越大需要的基站數量也就越少，同時基站和布設的成本以及難度也會大大降低。大家可以計算一下假設一個藍牙基站300塊可以覆蓋50米的范圍，一個LoRa基站5000塊可以覆蓋3000米的范圍，那么如果想覆蓋3000米的范圍需要使用多少藍牙基站呢？布設成本又是多少？（注：這僅僅是從覆蓋范圍做的假設，實際不會只考慮著一個因素）

從上面可以看出來在覆蓋范圍上LoRa、NB-IOT、ZETA的覆蓋范圍都是在數十公里上的，ZigBee和藍牙都是在百米以內。如果你的應用場景需要覆蓋范圍廣是硬性指標，那么就不用考慮后面兩種了。從上圖可以看來，通常情況下通訊頻段越低其覆蓋范圍越大，這里主要是因為越低的頻段在空氣和物體中傳播時衰減越小，反之亦然。

2. 通信速率

通信速率是節點或網關在一定時間內可以傳輸數據的數量。假設一個網關的通信速率是10kbps（1280字節），一個傳感器的一次數據是8字節。那么也就是說這個網關或節點最多每秒可以收發1280字節/8字節=160個傳感器的數據。當然這只是理論值，實際會因避免數據沖突以及數據下發等因素影響。通訊速率和網關的信道數量有關，信道越多速率越高。

在常用通訊技術上來說一般是速率越高越好，不過在物聯網行業本身特性就沒有特別大的數據量需要傳輸，因此在考慮通訊速率時主要考慮在一個區域下有多少設備？會產生多大的并發數據量？什么通訊技術的網關可以承載這些數量，以此選擇適合的通訊技術并預留一些冗余即可。

3. 通信頻段

頻段指的是電磁波的頻率范圍，單位為Hz，我們常說的2.4G或5GWIFI其實指的就是頻段。無線電的頻段是有免授權和授權兩種類型的，像是WIFI用的2.4G、5G和LoRa在中國使用的470~510MHz等都是免授權頻段，因此我們可以直接免費使用。還有一些頻段是受國家管制的，是需要向國家申請才可使用。因此我們選擇頻段的時候需要考慮頻段是否需要授權，如果是非授權頻段也要考試頻段是否擁擠？以及如何處理同頻段干擾問題。

無線電的頻段越高其數據的傳輸速率也就越高，當然功耗隨之增加。物聯網行業很多的設備通常都是數據量小、使用電池供電，所以需要設備盡可能降的低功耗，像是WiFi這種高功耗的通訊技術使用場景就非常有限了，通常只會用在小范圍內的有源設備上。

4. 運營商網絡&私有網絡

運營商網絡是指聯通、移動、電信等公司搭建的通訊網絡，這類網絡的網關是運營商搭建的，因此是不可以通過此類網絡實現本地設備的局域網通訊，也無法實現本地多數據源的邊緣計算。運營商網絡覆蓋范圍大、信號穩定、用戶接入即可使用，當然也是需要支付通訊費用。

在第一張圖中除了4G、NB-IOT是運營商網絡之外，像是LoRa、WiFi、Zigbee、藍牙、ZETA、RFID等技術都可以搭建私有的局域網絡。這類網絡需要用戶建造網關組網，相對運營商網絡來說這類網絡不需要通訊費用，也可以利用其局域網特性實現本地多數據源的邊緣計算。但是基站的布設和維護成本高，所以需要根據業務場景考慮使用什么方式的網絡更加合適。

像是共享單車這類數據量小、設備分散且不固定的應用場景，使用運營商網絡是最適合的，但如果是場地固定、設備集中或需要多數據源以及大量數據的邊緣計算場景，那么搭建私有網絡是比較合適的，這樣會省去很多通訊費用，并且數據的響應速度也會比較快。

5. 功耗

功耗是物聯網行業一直要做取舍和頭疼的問題，除了上面說的頻段越高，傳輸速率越大，能耗越高之外，還有一個影響功耗的因素就是通訊協議。像是WIFI這類通訊協議相對比較復雜，并且會保持長連接，因此會比較費電。而像是LoRa、ZigBee、NB-IOT這類技術的通訊協議簡單報文長度短，且具備多種工作模式，可以根據應用場景調整工作模式從而實現減低功耗的目的。

6. 單跳&多跳通訊

如上圖所示，單跳的通訊方式是節點——網關——云端，也就是說節點的數據通過網關直接上云，不可以在網關之間進行路由轉發。這種方式單個網關的信號范圍就是其可以使用的范圍，如果想覆蓋更大或更遠的范圍則只能增加網關，但是每個網關需要連接以太網進將數據上云，因此網關的聯網成本和復雜度較高，需要網關布設的地方同時具備電源和網絡覆蓋。

多跳通訊方式是節點——網關——中繼——云端的架構，也就是說數據可以在網關和中繼之間做路由跳轉，最后通一個網關將多個中繼下終端的數據上云。這種多跳方式可以通過增加中繼覆蓋更大或更遠的范圍，并且只需要一個網關具備數據上云能力即可。這樣的話哪些中繼設備只需要有電源供應即可，甚至可以使用電池供電，這樣布設成本和布設難度將大大降低。這種方式最適合的應用場景是高壓線路的通訊等范圍大、數據量小方面的應用，因為一般高壓電基站都是在空曠的田野或山區中假設，相聯網相對比較麻煩，通過多跳通訊只要一個網關能聯網上云就可以帶動很多網關的數據上云。

LoRa等通訊都是屬于單跳通訊，ZETA、ZigBee、WIFI、藍牙等通訊是屬于多跳通訊。在使用多跳通訊的時候需要注意的是上云網關通訊速率的大小直接限制了通過它上云網關的總通訊速率大小。

三、常見物聯通通訊技術詳解

通信技術有很多，下面選幾個在物聯網應用比較適合的和大家詳細分析其特點和適用場景。

1. LoRa

LoRa是一種遠距離的調制技術，由法國的Cycleo公司研發，后來被美國的Semtech(升特)收購。其特點是具備較長的傳輸距離，它是基于線性擴頻（CSS）的一個變種，具備向前就糾錯的（FEC）的能力，同時具備較高的接收靈敏度和抗噪聲能力。在國內LoRa是運行在免費的頻段470~510MHz之間。

LoRaWAN是基于LoRa的一種通訊協議，相比LoRa它除了包含物理層的定義還包含了數據鏈路層的定義，LoRa可以通過擴頻因子（SF）調節通訊速率和距離，擴頻因子越大傳輸速率就越小，但傳輸距離就會越遠。這就好比同樣油量的摩托車可以跑得快、跑得遠，但是載重很小，而貨車就可以帶很多東西，但是跑得就會比較慢且距離很短。因此在設置擴頻因子時就需要個根據數據量和傳輸距離做取舍。

LoRaWAN的單通道實際速率大約0.3~11kbps，目前國內常用的終端芯片有和兩種，網關芯片有、、等型號。其拓撲結構是星型拓撲，即每個網關通過網絡將數據傳輸到中央服務器，節點會將數據同時發送至多個網關，由中央服務器進行冗余檢測和其他的處理。其網關容量主要取決于數據的并發大小。

LoRaWAN具有A類、B類、C類的通訊模式。

終端雙向通訊（A類）：

節點隨時可以發送信息給網關，發送后會打開兩個持續時間很短的接收窗口用于接收網關的下行數據，通過這種方式實現上下行的通訊。這種方式節點會在需要時隨時發送信息給網關，并不會與網關溝通確認發送信息的時機。這種方式其優點是通訊邏輯簡單，不會因為與網關確定數據上報時間而增加通訊次數導致電量的消耗，但這種方式會遇到數據碰撞的問題。此類方式適用于僅做數據上報、不需要精準的執行指令操作、對電量消耗比較敏感，且能接受一定數量數據丟失的傳感器，適用與電池供電設備。

具備特定時間接收窗口的雙向通訊（B類）：

B類方式在A類方式的基礎上增加了更多的接收窗口用于接收數據，B類方式會通過接收網關發來的信標來完成時間同步，基于時鐘同步會按照設定在特定的時間開啟更多的接收窗口，網關基于開啟的窗口時間就可以主動給節點發送數據了。這種方式適用于除了被動的接收數據下發數據之外還需要在特定的時間下發數據被節點。

最大接收窗口通訊（C類）：

C類方式除了在發送數據時，其他時間接收窗口是一直處于開啟中。這種方式功耗最大的，不過服務器可以隨時下發數據，數據延遲最小。通常這種方式適用于有源設備或隨時需要接收數據和指令的執行器。

綜合上面的信息可以得知LoRaWAN是一種覆蓋范圍廣（無遮擋十幾公里，有遮擋幾公里）、功耗低、傳輸速率在十幾kbps、免費可搭建私有網絡的通訊技術，結合這些特點我們可以分析出其大多是應用在那些數據量小、設備所在區域較廣、需要搭建私有網絡的場景，比如農業監控、環境數據采集、市政設備狀態的上報等行業。

2. 關于功耗

關于影響功耗的因素有很多比如通信類型、擴頻因子、數據大小、通信間隔、電池容量、傳感器本身耗電等，之前看了很多文章是說LoRa可以使用XX年，但是絲毫不提以上影響待機時長的參數，對于這種沒有參考意義的數據真是看了不如不看。以下功耗參數是朋友實際項目的數值，雖然缺乏通訊模式、擴頻因子、數據間隔以及傳感器本身耗電的因素，但還是具備一些參考意義的。

3. NB-IOT

NB-IOT是一種低功耗、覆蓋廣的物聯網通信技術，它是構建于現有的蜂窩網絡之上，占用200KHz頻段。只要開辟出200KHz頻段即可直接部署在GSM網絡、UMTS網絡和LET網上。

聯通和移動部署在900MHz、1800MHz頻段，電信部署在800MHz。傳輸速率大于160kbps，小于250kbps，采用雙半工模式。覆蓋范圍與LoRa基本無異郊區可達到十幾公里，市區可達幾公里，

其低功耗方面主要在通訊協議上做了優化，較少不必要的通訊數據，同時采用休眠機制節省電量消耗。NB-IOT屬于授權頻段無法搭建私有網絡，因此我也沒有太細致的去了解其功耗和實際通訊速率。

由于NB-IOT可部署在現有的蜂窩網絡上，所以目前一二線城市基本全部覆蓋。NB-IOT的比較適用于數據量小、要求低功耗、設備區域較廣、設備移動性強的場景，OFO就使用NB-IOT通訊，正好滿足其數據量小、低功耗、設備區域光數量多、且不斷移動位置的需求。

3. ZETA

ZETA是上海縱行推出的非授權頻段的LPWAN（低功耗廣域網）標準。該標準是使用UNB（超窄帶）的多信道通信，在傳統LPWAN的穿透性能基礎上，進一步通過分布式接入機制實現快速部署。網上相關ZETA的資料比較少，我是去拜訪過一次，了解到其特點是2KHz超低頻段（如果我沒記錯的話），除了低功耗之外在通訊協議上有點類似LoRa和ZigBee的結合，可以實現多跳自組網，以及分配確認通訊時間等機制，中繼設備可以通過電池供電實現超過1年的工作時間。

4. ZigBee

以上說的廣域網的物聯網通訊技術，下面我們就看看局域網的通訊技術。

像是WIFI、藍牙都是常見的局域網通訊技術也都有在物聯網方面的應用，由于這兩中技術比較常見我們就不多說了，主要看看Zigbee在物聯網通訊方案的應用和特點。

ZigBee是基于IEEE802.15.4協議的低功耗短距離的無線通信技術，它主要運行在2.4GHz、868MHz和915MHz3個頻段上，分別通訊速率是250kb/s、20kb/s和40kb/s。其接入設備量理論可以達到6萬多個設備（實際接入設備了受通訊速率的限制，無法達到理論接入量）常規通訊范圍約20米。作為物聯網通訊技術其同樣具備低功耗特點，在低耗電待機模式下，兩節普通5號干電池（5000~6000mah）可使用6個月以上（僅做參考此參數未獲取各種影響功耗的詳細條件）。

ZigBee因為是使用的免費授權頻段，所以是可以搭建私有網絡的。同時它還支持多跳通訊，也就是一個設備即可接收數據也可以轉發數據，這樣就可以通過多跳的方式利用中繼設備將數據轉發到可以上云的網關。在信號較弱的地方可通過增加中繼設備來提高覆蓋面積和信號強度，而不需要增加可以將數據上云的網關。

除上述特點為ZigBee還具備雙向確認的特點，也就受控設備接收到指令后會反饋執行結果給控制設備（類似MQTT協議），同樣控制設備發出指令后也會監控是否收到反饋信號，如果沒有收到則意味著數據發生碰撞，控制設備會重新發送指令以達到指令的絕對執行。針對控制類設備這點是十分友好。

之前聽說在小米有一個說法是“有源設備用WIFI，無源設備用藍牙”，不過現在小米和云丁也都使用起來了ZigBee。我想也正是因為ZigBee功耗低、速率高（相比LoRa），完全可以滿足家庭類監控設備和執行設備的通訊要求，同時還可以通過中繼解決多房間的信號盲區以及搭建私有網絡的特點小米和云丁才會用它的，尤其是低功耗可搭建私有網絡這個特點，不知道小米會不會在小愛同學上添加ZigBee模塊，讓其可以實現指令的本地儲存和執行，畢竟網絡的異常還是比較常見，如果這些指令可以本地處理和執行那么對于物聯網設備的穩定運行也是十分重要的。

三、最后小結

LoRa、ZETA、SUB-1Ghz：適用于大項目、大區域、設備數量多、數據量不大、設備固定的場景。例如，樓宇城市的設備狀態監控、環境監控、遠程控制等，或者農業環境、設備的監控和控制等，以及需要需要搭建私有網絡的應用場景。LoRa在協議、規范、生態都比較成熟，適合大部分企業使用。ZETA還在成長期，在協議上有一些優勢，使用的話整體生態不太豐富成熟方案不太多。SUB-1Ghz需要自己開發通訊協議，工作量較大，擴展其他品牌的設備比較困難，因此一般公司沒有太多精力去造輪子。

NB-IOT：適用移動性強、設備分散、設備數量大、數據量小、設備獨立無需多設備協同的運行場景。例如，移動物品或車輛的監控和控制、精度不高定位、樓宇城市的設備狀態監控、環境監控、遠程控制等場景。NB-IOT三大運營商在一二線城市都已經鋪設，生態和方案都比較成熟沒有搭建基站的煩惱和費用，不過需要和手機一樣繳納通訊流量費。

4G：適用于大數據量、功耗不敏感、移動性強、使用地區偏遠的場景。例如，車輛的通訊定位、鐵搭的監控和控制、無其他物聯網通訊覆蓋的區域、設備數量少不值得搭建網關的一些場地。

ZigBee、藍牙、WiFi：適用于小區域、數據量稍大、設備固定、設備數量少、需要多設備聯動運行的場景。例如，智能家居、獨立小商鋪等小區域的場所。ZigBee是比較適合上述場景的，其功耗、通訊速率合適、協議完善穩定，可通過多跳覆蓋一個中型場所。藍牙方案成熟，不過功耗稍微有點高，保持長鏈接數量太少。WiFi功耗太大，在無源設備基本無法使用，但通訊速率很高。

不同的場景和需求使用不同的通訊技術，在選型的時候可以先列出硬性指標，然后再這個范圍內做有限的調研和選擇。比如我們在選擇時的兩個硬性的指標是覆蓋范圍大、可搭建私有網絡，所以像是NB-IOT、ZigBee這種基本就不用浪費了時間去糾結啦。