无线通信- NB-IOT、LoRa、433、GPRS、4G、WIFI、2.4G、PKE

一、概要介绍

随着物联网的广泛应用，它渐渐走入我们的生活并被广泛应用到方方面面，且正在解决一些城市面临的问题跟挑战，如污染检测、自然灾害预警、工业现场监测、设备制造等。物联网通讯技术一般分为两种，一种是近距离技术，如蓝牙、WIFI、ZigBee，一种是组成广域网的技术，如NB-IOT、GPRS、4G、LoRa等。

二、NB-IOT

1、NB-IOT专业名词缩略语：

  1）IOT：internet of thing；

  2）NB-IOT：narrow band internet of thing；

  3）IMEI：international mobile equipment identity 国际移动设备识别码；

  4）OneNET：中国移动PaaS物联网开放平台；

  5）CIoT：蜂窝物联网；

  6）M2M：Mobile-To-Mobile

  7）3GPP：以GSMMAP核心网为基础，以WCDMA为无线接口制定第三代移动通讯标准；

2、IOT开发涉及到许多协议栈；

3、各种云的接入方式大致相同的，不同的是接入方式和协议支持，只要理解整个流程即可；

4、心跳包：通常是客户端每隔一小段时间向服务器发送的一个数据包，通知服务器自己仍在线，并传输一些可能有必要的数据，以保持长连接；

5、NB-IOT与GPRS的区别：

  1）硬件上：1）接口相同； 2）工作频率方面：同样是850MHz/900MHz(但这些频段资源珍贵)；

  2）软件上：遵循的协议有所不同；

  3）协议栈上：

    （1）NB-IOT:基于LTE(4G)协议栈设计的，但裁减了一些不必要的功能，减少了协议栈处理流程的开销；

    （2）CoAP协议：支持对接各类云服务：透传云、电信IOT平台、移动OneNet等； 

6、通讯模型：

  1）目前只有电信/移动支持IOT平台，并且电信存在IP访问限制(仅可访问电信云、华为云、透传云等少量私有IP)

  2）基站的建设形式：在4G FDD基站上进行升级实现部署； 

7、通信信号：

  1）NB的接受灵敏度很高，穿透力强(覆盖室内和地下室)；

  2）NB接入基站的终端数是GSM的50-100倍，网络覆盖范围比GSM增强20dBm，覆盖面积扩大100倍；

  3）功耗极低，电池供电待机可长达10年以上；

8、帧结构：与LTE帧结构一致：每个时隙0.5ms，2个时隙就组成了一个子帧(SF)，10个子帧组成一个无线帧(RF)；

9、小区重选和移动性；

10、模块的工作模式：CoAP：专为低功耗互联网应用设计的协议栈；

11、NB低功耗的实现(参数可自由定制，类似于蓝牙，zigbee)：

  1）PSM模式：NB的睡眠模式；

  2）eDRX：监听间隔；

12、NB是一个窄带通讯协议，并发性有限，不建议频繁通讯占用带宽；

13、模组注网能耗、上报数据能耗与信号覆盖强度成反比！！

14、NB-IOT开发中的问题和难点：信号不稳定情况(GPRS也存在)；

三、LoRa

LoRa是一种低功耗局域网无线标准，低功耗一般很难覆盖远距离，远距离一般功耗高，而LoRa最大特点就是在同样的功耗条件下比其他无线方式传播的距离更远，实现了低功耗和远距离的统一，传输速率一般是几百到几十Kbps，传输距离越长速率越低，它在同样的功耗下比传统的无线射频通信距离扩大3-5倍。

LoRa技术的特点：

1. 低功耗：LoRa网关的电池供电可达数年甚至十余年；

2. 广覆盖：LoRa单一网关的覆盖距离通常在3-5km左右，城镇一般是2-5km，在空旷的郊区可达15km以上；

3. 高容量：由于LoRa网关终端无连接状态的特性，一个LoRa网关可以连接成千上万个LoRa节点；

4. 低成本：LoRa通信的成本极低，且同时支持窄带数据传输；

LoRa网关因其技术优势及性能特点，非常适合用于要求功耗低、距离远以及大量连接的场景，因此被广泛的应用在智能抄表、智能停车、智慧农业、智慧城市等场景。

四、433

1、433概述：

  1）通讯速率低：9600bps； 安全性较差； 但通讯距离，穿透力很强；

  2）只支持星型拓扑关系；

  3）433的不同形式：

    （1）集成芯片(可以跑协议栈 ,具体例子LoRa )：连接、组网、遍历不同频段等功能；

    （2）MCU+射频IC：发射固定序列数据；固定频段发送；

2、433与红外的区别： 

  1）传输介质不一致(433是无线电传输，红外是红外光传输)，传播方向性不同；

  2）传输距离，加密技术等；

3、433编码形式：

  1）固定码：明文传输；

  2）滚动码：保密性强，每次发射后自动更换编码；地址数量大于10万组，使用中“重码”的概率极小；

4、433三轴天线参数：

  1）谐振频率；

  2）感应电流：

5、433开发中的问题和难点：

  1）低功耗的实现是433最大的难点；

  2）接收端与发射端的功耗关系：

    （1）发射信号越弱，接收端消耗的功耗就越大；

    （2）控制发射端与接收端的射频时间间隔；实现不同的功耗搭配；

6、ASK：Amplitude Shift Keying 幅移键控

7、低功耗433方案设计：

  1）遥控发射方案：HD8301晶振+SC3356

  2）低功耗实现：

    （1）定时唤醒接收；

    （2）时间压缩比尽量高；

  3）中断接收注意不要处理太多，例如打印语句都需要尽量减少，做到最简，保证数据接收的完整性；

五、GPRS

1、GSM工作条件： GSM 是时分多址，在发送时隙时会导致瞬时电流波动，由此会出现电压纹波现象。此时如果不处理妥当，这些频繁的电压纹波将会降低模块的性能。建议将此纹波控制在 300mV 以内。在任何情况下，模块的供电都不应该低于它的最小电压。

2、手机业务的区分：GPRS业务、modbus业务、语音业务、数据业务信息；

3、GPS通讯模型：卫星信号->GPS接收解释->GPRS/GSM->目标终端(手机、PC)；

4、SIM：Subscribe Identification Module，用户身份识别卡、智能卡，GSM数字移动手机上必须要有；

  1）分类：standard SIM(1FF) Mini SIM(2FF) Micro SIM(3FF) Nano SIM(4FF) Embedded-SIM，尺寸大小以及储存介质不一致；

  2）组成：CPU ROM RAM EEPROM和I/O口应用；

  3）供给GSM网络客户身份进行鉴别( 即存放了密匙信息 )；

  4）20位ICCID卡号，4位SIM密码(PIN码)，PUK密码；

  5）鉴权过程：手机GPRS向网络发出入网请求->网络回复一随机字符串->手机接收，并将其交给SIM卡->SIM卡运算出特定结果->返回运算结果；

5、IMEI/ICCI发回网络，网络读取ICCID->通过网络验证，并下发KC码，完成入网过程；

6、BSS：基站子系统；

  1）基站子系统的组成：

    （1）基站收发信台(BTS：手机信号的收发)

    （2）基站控制器(BSC：控制功能)

    （3）码变换和速率适配器(XCDR：数据编码) 、

    （4）无线操作做维护中心(OMC_R：用户操作和维护功能)

  2）作用：基站的作用是中继作用，基站与基站之间通过无线信道进行连接，终点是主基站；

  3）各个基站组成蜂窝网络(基站布局组建十分重要)，覆盖的地方就可以完成手机通讯；

  4）天线类型：发全向、定向 ；组合收全向、定向；

  5）频率分类： 766.9125-791.8875MHz；每个用户的通讯都将占用一个信道；

  6）基站子系统与MSC以及移动终端通讯通过A口和Um接口(空口)，专用的接口完成的；

  7）基站的分类：宏基站、微基站、微微基站、分布式基站(基带单元BBU和远端射频单元RRU)；

7、MS(mobile station)：移动台；

  1）移动用户的终端设备；

  2）分类：车载型(开发难度大)、便携型、手持型(手机、对讲机(免费的))；

  3）组成：移动终端(MT)、客户识别卡(SIM)；

  4）不同应用、地区采用不同的通信频道(通用、专用)：国际频道、美国频道、加拿大频道；气象频道；

8、GPS需要在室外使用，室内没有卫星信号(中国卫星：北斗BDS 美国卫星：GPS ；两个卫星的协议不一样，因此支持两个，需要双模)； 其他卫星： 俄国卫星：GLONASS 、欧盟卫星：伽利略；

9、需要外接有源天线；

10、数据以星历形式储存，描述卫星位置和速度信息；

11、定位一般在正负5米(CEP)，捕获时间一般在半分钟内；

12、通讯协议：

  1）NMEA：传出串口数据；

  2）UBX Binary：配置GPS模块的参数；

13、数据含义较多：多多联系理解；

  1）UTC+时区差=本地时间；

  2）GPS经纬度数据可以转化为百度、google格式；

14、硬件连接：PPS：时钟脉冲；

15、冷启动、温启动和热启动；

16、通过卫星可以获取的信息：定位(经纬度)；时区时间；海拔高度；

17、模块会自动获取信号最好的四颗卫星来进行定位；

18、常用协议：MQTT，

19、硬件上：与其他类型的无线( 蓝牙、zigbee、wifi )原理应该是一样的，发射模块发射特定的频率频段；

  1）内部集成了TCP/IP协议，作为GPRS MODEM角色存在；

20、电源滤波需要加1000uf电容？GPRS启动电压波动很大；

21、GPRS开发中的问题和难点：

  1）GPRS网络存在不稳定、网络差现象，会出现掉包情况；

  2）主控制器(内嵌TCP/IP)要实现IP设计，使用起来比较复杂；

  3）上位机基于互联网的解决方案保密性比较差；

22、GPRS缩略语：

  1）GSM->Global System of Moile communication；

  2）GPRS->Gerneral Packer Radio Service；

  3）MQTT : Message Queuing Telemetry Transport， 消息队列遥控传输，是一个即时的通讯协议；

  4）CSD：电路交换；

  5）SGSN：服务支持节点(硬件设备)；

  6）GGSN：网关支持节点(硬件设备)；

  7）MSC：移动交换中心；

  8）BSS：基站子系统；

9）MS：移动台；

六、4G/5G

4G通信技术以之前的2G、3G通信技术为基础，在其中添加了一些新型技术，使得无线通信的信号更加稳定，还提高数据的传输速率，而且兼容性也更平滑，通信质量也更高。而且4G通信中使用的技术也先进于2G、3G通信，使得信息通信速度变快。 从技术标准的角度看，按照国际电信联盟(ITU)的定义，4G静态传输速率达到1Gbps，高速移动状态下可以达到100Mbps。 

4G通信技术基于3G通信技术基础上不断优化升级、创新发展而来，融合了3G通信技术的优势，并衍生出了一系列自身固有的特征，以WLAN技术为发展重点。4G通信技术的创新使其与3G通信技术相比具有更大的竞争优势。首先，4G通信在图片、视频传输上能够实现原图、原视频高清传输，其传输质量与电脑画质不相上下；其次，利用4G通信技术，在软件、文件、图片、音视频下载上其速度最高可达到最高每秒几十兆，这是3G通信技术无法实现的，同时这也是4G通信技术一个显著优势；这种快捷的下载模式能够为我们带来更佳的通信体验，也便于我们日常学习中学习资料的下载；同时，在网络高速便捷的发展背景下，用户对流量成本也提出了更高的要求，从当前4G网络通信收费来看，价格较高，但是各大运营商针对不同的群体也推出了对应的流量优惠政策，能够满足不同消费群体的需求。

关键技术
OFDM技术
FSK具有一点抗干扰性，编码采用的是单极性不归零码，发送端发送的编码为1的时候，表示处于高频，发送的编码为0的时候，表示处于低频。假如发送的编码是1011010的时候，编码形成的波形会表现出周期性的浮动。利用OFDM技术传输的信号会有一定的重叠部分，技术人员会依据处理器对其分析，根据频率的细微差别，划分不同的信息类别，从而保证数字信号的稳定传输。 

MIMO技术
MIMO利用的是映射技术，首先，发送设备会将信息发送到无线载波天线上，天线在接受信息后，会迅速对其编译，并将编译之后的数据编成数字信号，分别发送到不同的映射区，再利用分集和复用模式对接收到的数据信号进行融合，获得分级增益。

智能天线技术
智能天线技术是将时分复用与波分复用技术有效融合起来的技术，在4G通信技术中，智能天线可以对传输的信号实现全方位覆盖，每个天线的覆盖角度是120°，为了保证全面覆盖，发送基站都会至少安装三根天线。另外，智能天线技术可以对发射信号实施调节，获得增益效果，增大信号的发射功率，需要注意的是，这里的增益调控与天线的辐射角度没有关联，只是在原来的基础上增大了传输功率而已。

SDR技术

软件无线电技术是无线电通信技术常用技术之一。其技术思想是将宽带模拟数字变换器或数字模拟变换器充分靠近射频天线，编写特定的程序代码完成频段选择，抽样传送信息后进行量化分析，可实现信道调制方式的差异化选择，并完成不同的保密结构、控制终端的选择。

七、WIFI

1. WiFi原理—简介
WiFi(Wireless Fidelity)，无线保真技术，又称802.11b标准，与蓝牙技术一样，同属于在办公室和家庭中使用的短距离无线技术。该技术遵循IEEE所制定的 802.11x系列标准，主要有三個标准：较少人使用的802.11a、低速的802.11b、和高速的802.11g。尽管Wi-Fi技术也存在着诸如兼容性，安全性等方面的问题，不过它也凭借着自身的优势，如传输速度较高，可以达到11Mbps，有效距离也很长，受到厂商的青睐，占据着主流无线传输的地位。

WiFi是现有通信系统的补充，可看作是3G的一种补充，无线接入技术则主要包括IEEE的802.11、802.15、802.16和802.20标准，分别指WLAN、无线个域网WPAN：蓝牙与uwb、无线城域网WMAN：WIMAX和宽带移动接入WBMA等。一般地说WPAN提供超近距离的无线高数据传输速率连接;WMAN提供城域覆盖和高数据传输速率;WBMA提供广覆盖、高移动性和高数据传输速率;WiFi则可以提供热点覆盖、低移动性和高数据传输速率。现在OFDM、MIMO(多入多出)、智能天线和软件无线电等技术都开始应用到无线局域网中以提升WiFi性能，比如说802.11n采用MIMO与OFDM相结合，使数据速率成倍提高。另外，天线及传输技术的改进使得无线局域网的传输距离大大增加，可以达到几公里。

Wi-Fi 6主要使用了OFDMA、MU-MIMO等技术，MU-MIMO（多用户多入多出）技术允许路由器同时与多个设备通信，而不是依次进行通信。MU-MIMO允许路由器一次与四个设备通信，Wi-Fi 6将允许与多达8个设备通信。Wi-Fi 6还利用其他技术，如OFDMA（正交频分多址）和发射波束成形，两者的作用分别提高效率和网络容量。Wi-Fi 6最高速率可达9.6Gbps。 [1] 

Wi-Fi 6中的一项新技术允许设备规划与路由器的通信，减少了保持天线通电以传输和搜索信号所需的时间，这就意味着减少电池消耗并改善电池续航表现。

2. WiFi原理—技术优势
　　1) 无线电波的覆盖范围广，基于蓝牙技术的电波覆盖范围非常小，半径大约只有50英尺左右约合15米，而WiFi的半径则可达300英尺左右约合100米，办公室自不用说，就是在整栋大楼中也可使用。最近，由Vivato公司推出的一款新型交换机。据悉，该款产品能够把目前Wi-Fi无线网络300英尺接近100米的通信距离扩大到4英里约6.5公里。

　　2) 虽然由WiFi技术传输的无线通信质量不是很好，数据安全性能比蓝牙差一些，传输质量也有待改进，但传输速度非常快，可以达到11mbps，符合个人和社会信息化的需求。

　　3) 厂商进入该领域的门槛比较低。厂商只要在机场、车站、咖啡店、图书馆等人员较密集的地方设置“热点”，并通过高速线路将因特网接入上述场所。这样，由于“热点”所发射出的电波可以达到距接入点半径数十米至100米的地方，用户只要将支持无线LAN的笔记本电脑或PDA拿到该区域内，即可高速接入因特网。也就是说，厂商不用耗费资金来进行网络布线接入，从而节省了大量的成本。

3. WiFi原理—网络架构
　　一般架设无线网络的基本配备就是无线网卡及一台AP，如此便能以无线的模式，配合既有的有线架构来分享网络资源，架设费用和复杂程度远远低于传统的有线网络。如果只是几台电脑的对等网，也可不要AP，只需要每台电脑配备无线网卡。AP为Access Point简称，一般翻译为“无线访问接入点”，或“桥接器”。它主要在媒体存取控制层MAC中扮演无线工作站及有线局域网络的桥梁。有了AP，就像一般有线网络的Hub一般，无线工作站可以快速且轻易地与网络相连。特别是对于宽带的使用，无线保真更显优势，有线宽带网络(ADSL、小区LAN等)到户后，连接到一个AP，然后在电脑中安装一块无线网卡即可。普通的家庭有一个AP已经足够，甚至用户的邻里得到授权后，则无需增加端口，也能以共享的方式上网。

八、2.4G

1、应用：无线遥控、无线鼠标、无线键盘、无线电子标签、遥控玩具、2.4g无线扩音器、无线麦克风、无线音箱；

2、2.4G无线鼠标与蓝牙鼠标的对比：

  1）通讯制式不一致(2.4G是FSK调制的)；

  2）2.4G必须是收发一一对应，也可以选择1对6模式；

  3）2.4G传输距离要高，一般在几百米左右；

  4）2.4G传输速率要高，耗电要小；

3、芯片NRF24L01:

  1）采用自身Enhanced Short Burst协议；

  2）模块的使用方式类似(蓝牙模块)，各种模式的灵活运用，收发数据的控制相对来说复杂一点；

4、项目出现的问题以及解决：出现过复位脚由于布线不合理，导致受到影响，整个系统一直复位；解决是采用地线保护重要的线路；

九、PKE无线近场通信

1、滚动码加密技术： 原始代码、加密钥匙以及同步码经过Keelop算法加密后，产生32Bit高度保密的滚动码。

2、PKE近场通信总体设计框架(遥控器+主机)：

  1）遥控器：接受低频125K数据->合法数据->唤醒MCU->发送高频滚码数据(固定的编程数据，由滚动码芯片自动完成)；

  2）主机：定时发送低频125K数据(固定的编程数据)->定时接受高频数据->轮询检查高频接受数据(如果接受到则进行指定动作)(处理数据有两种模式：学习模式(储存遥控器数据)和正常模式(执行指定动作))；

3、PKE项目开发出现的问题以及解决：

  1）通讯距离短：

    （1）天线发射芯片重新选型；

    （2）天线重新选型；

    （3）避免让金属阻挡信号；

  2）逻辑关系比较复杂：

    （1）通过实际应用进行适当的调整；

  3）无线互相干扰问题(同频干扰)：

    （1）分频、分时、缩短感应距离；

    （2）通讯时，尽可能时间短、周期长；