1. 引言
物联网(Internet of things (IoT))是新一代信息技术的重要组成部分。信息技术发展到今日，从当初人与人的通信需求已经转向人与物以及物与物之间的互联互通，最终实现万物互联。传感器技术、嵌入式系统技术和通讯技术是物联网的三个重要组成部分。其中，传感器技术用于感知世界，对不同的感知对象需要不同种类的传感器完成。传感器将多种多样的环境信息转化为电信号并进一步数字化，形成计算机能够识别的二进制数据；嵌入式系统技术用于协调和控制各部分的工作，物联网单元在嵌入式系统的控制下完成信号的采集、存储与传输；通讯技术是互联网各单位之间进行信息传输和交流的物质基础。没有通讯技术，物联网就不能“联”，也就不能构成“网”。针对物联网的特点，低功耗广域网和低功耗局域网应运而生。目前，全球范围内主要形成两大技术阵营，在智能家居、工业的数据采集等局域网的场合下，一般采用的是短距离通信技术，如Zigbee和蓝牙4.0。对于范围较广，距离较远的连接，就会采用远距离的通信技术，包括LoRa，NB-IoT，Sigfox，Weightless，这些技术虽然特点各异，但都面向满足物联网低成本、低功耗、大量连接的需求。本文主要是介绍常见的几种物联网通讯方式。
2. 低功耗广域网技术
低功耗广域网(low-power Wide-Area Network (LPWAN))是为了满足越来越多远距离物联网设备的连接要求，即为了物联网应用中的M2M通信场景而优化，发展的一项新技术。LPWAN具有低功耗，远距离，低运维成本等特点，可以真正的实现大区域物联网低成本全覆盖，在未来的智慧城市的建设发展过程中，LPWAN的应用将会越来越多。下面介绍的是LPWAN中几种典型的无线技术。
2.1. LoRa
2.1.1. 技术简介
LoRa的全称是“Long Rang”，是LPWAN一种成熟的通信技术，是美国(Semtech)公司的一种基于扩频技术的低功耗超长距离无线通信技术，是Semtech公司的私有物理层技术，主要采用的是窄带扩频技术，抗干扰能力强，大大的改善了接收灵敏度，在一定程度上奠定了LoRa技术的远距离和低功耗性能的基础 [1] 。2015年3月建立了LoRa全球技术联盟，LoRa联盟是一个开放的，非营利性协会，其成员包括多国的电信运营商、设备制造商、传感器生产商、半导体公司、系统集成商。联盟成员之间分享知识和技术，为了共同开展LoRaWAN标准的制定，并通过构建生态系统的方式推动LoRa的推广与普及。目前来看，LoRa网络已经在世界多个地点进行试点，最新公布的数据，已经有17个国家公开宣布了建网计划，120多个城市地区拥有正在运行的LoRa网络，例如美国、法国、德国、澳大利亚、印度等等，而荷兰、瑞士、韩国更是部署或者计划部署覆盖全国的LoRa网络。国外正在如火如荼的进行着，国内则有点冷清，LoRa的应用似乎并不多，可看到的公开应用是国内AUGTEK公司在京杭大运河开展的LoRa网络建设，据了解目前已经完成江苏段的全线覆盖。总体看来，LoRa是为了解决物联网中M2M (物对物)无线通信的需求，主要是在全球免费频段运行，包括433、470、868、915 MHz等非授权频段的低功耗广域接入网技术。
2.1.2. 关键技术
1) LoRa调制方式
LoRa技术采用的是基于线性调频信号(Chirp)扩频技术，同时结合了数字信号处理和前向纠错编码技术 [2] ，然后数字信号通过调制Chirp信号，将原始信号频带展宽至Chirp信号的整个线性频谱区间，这样大大增加了通信范围。此前，扩频调制技术具有通信距离远和高鲁棒性的特点，在军事和航天通信领域得了广泛的运用，这是第一次运用在商业用途，达到了意想不到的效果。而且随着LoRa的引入，嵌入式无线通信领域的局面发生了彻底的改变。高的时间带宽积和非常宽的频带是LoRa调制方式的显著优点，拥有高的时间带宽积(BT > 1)可以避免无线电信号遭受带内和带外的干扰，足够宽带的调制利于抵抗室内传播的多径衰落 [1] 。Lora调制拥有六个可调的扩频因子(SF)，分别是SF = 7、8、9、10、11、12，当扩频因子发生变化的时候，有效的数据率也会随之发生变化。多个不同的扩展信号可以在同一个频带内传播，相互不会干扰，不仅提高了频谱效率而且不会降低通信性能。
2) LoRa通信协议
基于LoRa技术的网络层协议主要是LoRaWAN，定义了网络通信协议和系统架构，LoRaWAN的通信系统网络是星状网架构。主要分为以下三种 [2] ，第一个，点对点通信，就是A点发起，B点接收。第二个，星状网轮询，一点对多点的方式，一个中心点和N个节点，由节点出发，中心点接收然后确认接收完成，下一个节点继续上传，直到N个节点完成，这算一个循环周期。第三个，星状网并发，也是一点对多点的通信，不同的是多个节点可以同时与中心点通讯，这样就节约了节点的功耗，避免了个别节点的故障而引起网络的瘫痪，网络的稳定性得到了提高。
2.1.3. LoRa的应用
LoRa无线技术使用全球免费频段，基站或者网关有很强的穿透能力，在郊区连接传感器的距离可以达到15~30 km。LoRa使用异步协议，节点可以根据完成具体的任务而进行长短不一的休眠，辅以较低的数据速率，使得电池的寿命可达到3~10年。覆盖范围广、使用时间长，而且LoRa的节点可以达到百万级，这些显著的特征使得LoRa技术可以应用在要求功耗低、远距离、大量连接等物联网应用。如智慧交通，准确的提供车速、车距、车流量等交通数据；智能停车，通过对车位进行实时监测，实现信息透明，从而实现收费准确和减少人工费的目的；智慧桥梁，通过及时评估桥梁状态，可减少事故发生概率；城市智能井盖，通过监测井盖位置，实现减少车辆事故、人员伤亡；智能农业，通过对温度、湿度、风速等检测，把握生长状况，提高产量；除此之外，还可以用在智能医疗、智能海洋、智能追踪等方面。
2.2. NB-IOT
2.2.1. 技术简介
NB-IoT (Narrow Band Internet of Things)是可与蜂窝网融合演进的低成本电信级高可靠性、高安全性广域物联网技术。NB-IoT构建于蜂窝网络之上，只消耗约180 KHz的频段，可以直接部署于GSM网络，UMTS网络和LTE网络。NB-IoT采用的是授权频带技术，以降低成本。NB-IoT具有四大优势 [3] ，一是海量链接的能力，在同一基站的情况下，NB-IoT可以比现有无线技术提供50~100倍的接入数。一个扇区能够支持，10万个连接，设备成本降低，设备功耗降低，网络架构得到优化。二是覆盖广，在同样的频段下，NB-IoT比现有的网络增益提升了20 dB，相当于提升了100倍的覆盖面积。三是低功耗，NB-IoT借助PSM (Power Saving Mode，节电模式)和eDRX (Extended Discontinuous Reception，超长非连续接收)可实现更长待机，它的终端模块待机时间可长达10年之久。四是低成本，NB-IOT和LoRa不同，不需要重新建网，射频和天线都是可以复用的，企业预期的模块价格也不会超过5美元。
2.2.2. 关键技术
1) NB-IoT的部署方式
NB-IoT占用180 KHz的带宽，再考虑两边的保护带，共计200 KHz，支持三种部署场景 [4] ，如图1所示，分别是独立部署(Stand-alone)，GSM的信道带宽是200 KHz，正好给NB-IoT带宽腾出了空间，两边还有10 KHz的保护间隔，还与LTE中的频带不重叠，因此适合用于GSM频段的重耕；保护带部署(Guard-band)，就是利用LTE系统中无用的边缘频带，将NB-IoT部署在LTE的保护带内；带内部署(In-band)，可利用LTE载波中间内的任何资源块，无限接近于LTE资源块，为了避免干扰，3 GPP要求NB-IoT信号的功率谱密度与LTE信号的功率谱密度不得超过6 dB。
2) NB-IoT物理层特性
NB-IoT的物理信道很大程度上是基于LTE的，NB-IoT的下行采用正交频多分址(OFDMA)技术，载波带宽是180KHz，这确保了下行与LTE的相容性。对于下行链路，NB-IoT设计了三种物理信道 [5] ，包括窄带物理广播信道(NPBCH)、窄带物理下行控制信道(NPDCCH)、窄带物理下行共享信道(NPDSCH)；还定义了两种物理信号，窄带参考信号(NRS)、主同步信号和辅同步信号(NPSS和NSSS)。通过缩短下行物理信道类型，既满足了下行传输带宽的特点也增强了覆盖面积的要求。NB-IoT上行支持多频传输和单频传输，多频传输的子载波间隔是15 KHz，对速率要求高的可以采用这个；单频传输的子载波间隔是15 KHz或者3.75 KHz，对广覆盖范围有要求，可以使用这个。NB-IoT定义了两种物理信道，有窄带物理上行共享信道(NPUSCH)，窄带物理随机接入信道(NPRACH)和一种上行解调参考信号(DMRS)。
Figure 1. NB-IoT supports three deployment methods
图1. NB-IoT支持的三种部署方式
2.2.3. NB-IoT的应用 [6]
NB-IoT得到华为、爱立信、中兴通信、中国移动、中国联通、沃达丰、GSMA、GTI等公司的支持和加入，其技术日趋成熟，正在飞速的渗入人们的生活。根据NB-IoT低功耗、广覆盖、大连接、低成本、低速率等特点，再结合移动性能不强，适合静止的场景，我们可以考虑的应用领域就显而易见了，智能计量，对水、煤气、电力的数据采集，数据量小，节省人力；智能报警，如家庭温度和烟雾的增加，通过传感器与网络进行通信，达到保护家庭安全；智慧工业和农业，进行物流，资产跟踪，农林牧渔控制等；智能自行车，最近较火爆的共享单车，随处可见，对于共享单车公司，最重要的是可以实时监测自行车的位置，公司将SIM卡隐藏到自行车上，这样自行车的被盗数量和成本就会大幅度减少；智能垃圾桶，智能停车，智能医疗等等，都可以使用这项技术。
2.3. Sigfox
2.3.1. 技术简介
Sigfox公司以建设全球性物联网专网为目标，最初是在法国部署的，现在已经覆盖到西班牙、法国、俄罗斯、英国、荷兰、美国、澳大利亚、新西兰、德国等几十个国家，覆盖人口已达到3.11亿，注册终端已超过1000万 [7] 。Sigfox模块可以在多个供应商获得，未来硬件的价格会降低，Sigfox期望很大，意图想成为全球IoT运营商。
2.3.2. 关键技术
Sigfox以其超窄带(UNB)技术开始了低功耗广域网络的布局，超窄带技术每秒只能处理10到1000比特的数据，但能支持成千上万的连接。它使用称为二进制相移键控(BPSK)的标准无线电传输方法，采用非常窄的频谱块，通过改变载波无线电波的相位以对数据进行编码。UNB技术不仅成本远低于传统的蜂窝网络，而且其网络所占用的900 MHz无线频段在美国不需要授权。Sigfox只面向物联网中的短信息类业务，接入Sigfox网络的设备每条消息最大的长度大约为12字节，并且每天每个设备所能发送的消息不能超过140条，可以满足类似温湿度、位置等简单信息的传输要求。还通过限定单个节点对信道资源的占用时间，使得网络可以服务更多的节点。Sigfox在城市内的覆盖范围有3~10 km，而在空旷地带的覆盖距离可达到30~50 km，这样就可以使用很少的基站对一个区域进行网络覆盖，在法国，仅仅使用了1500个基站 [1] 就完成了对全国的覆盖，大大降低了网络的资费。
2.4. Weightless
2.4.1. 技术简介
Weightless是一组较早公开的物联网无线通信标准。由Weightless SIG主导和管理通信标准，标准免费提供给Accenture和ARM成员使用。Weightless提供低功耗广域网的无线连接技术，专为物联网而设计的。Weightless自2012年12月公布以来，已经发布了三项标准，有Weightless-N，Weightless-P，Weightless-W。
2.4.2. 关键技术
Weightless也是低功耗广域网的一种无线连接技术，和其他的LPWAN一样具有低功耗，低速率，通信距离远等特点，Weightless是一种开放的标准，有别于其他专有的无线连接技术。Weightless目前有三种版本，表1是对三种版本的基本比较：考虑成本，可以选择单项通信的Weightless-N；想要得到高性能，则适合双向通信的Weightless-P；如果当地的空白频段可以用的话，就选择Weightless-W。
Weightless-W是针对电视白频谱的低功耗广域网协议，该频谱并不具备区域的普遍性，极大地阻碍
Table 1. Three different types open standards of Weightless
表1. Weightless三种不同的开放标准
了该技术的发展，所以后面发布了Weightless-N，来解决这一问题，Weightless-N同样采用的是星状拓扑，终端节点可随时加入和退出网络，不影响其他节点的正常工作。
Weightless-N使用Sub-GHz频谱和超窄带技术，拥有良好讯号传播特性，即使在复杂的城市环境中，也可以将讯号传送几公里外的范围。该技术具备极低功耗，因此能延长传统小型电池和先进设计电池的寿命，减少终端硬体和网路成本。
Weightless-P提供灵活的信道分配，使用的是12.5 kHz信道，在大规模部署中可以通过频率来进一步提高网络性能，自适应数据速率是从200 b/s到100 Kb/s来优化无线电资源使用以达到最大的性能 [8] 。
2.5. 低功耗局域网技术比较
表2，从各个方面进行技术比较，可以更加直观的看出低功耗广域网技术方面的差异。
3. 低功耗局域网技术
低功耗局域网也是多种技术并存，例如Zigbee、蓝牙4.0、WiFi等技术，每个技术都有自己的优势和领域，本文主要介绍Zigbee和蓝牙4.0技术。相对于低功耗广域网，低功耗局域网具有产业链成熟，应用普及，稳定性强等优点，能够满足物联网应用的需要。
3.1. Zigbee
3.1.1. 技术简介
Zigbee这个词源自蜜蜂群在发现花粉位置时，通过跳ZigZag行的舞蹈来传递信息，人们借此称呼设计了一种短距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的无线网络技术 [9] ，可以广泛应用于工业控制、家庭自动化、消费性电子设备、农业自动化、医用设备控制和远程控制等领域，拥有广泛的市场。IEEE无线个人区域网(PAN)工作组的IEEE 802.15.4技术标准是Zigbee的基础，它依据802.15.4标准，在数千个微小的传感器之间相互协调实现通信 [10] 。
Zigbee的技术特点很突出，主要有以下几个方面：
1) 低功耗，工作模式情况下，Zigbee传输速率低，传输数量很小，所以信号的收发时间很短，非工作模式下，Zigbee节点会处于休眠模式，使得Zigbee节点非常省电，两节普通的5号干电池就可以使用6~24个月 [10] ，免去了充电或者频繁更换电池的麻烦。
2) 低成本，大幅度的简化协议，降低对通信控制器的要求，并且Zigbee协议还免收专利费，所以大大降低了成本 [9] 。
Table 2. Comparison of low-power wide area network technologies
表2. 低功耗广域网技术比较
3) 低速率，Zigbee可以在2.4 GHz、868 MHz、915 MHz频段上工作，分别具有最高达250 kbit/s、20 kbit/s和40 kbit/s的传输速率，能满足低速率传输数据的应用要求。
4) 网络容量大，一个Zigbee网络最多可容纳1个主设备和254个从设备，每个设备又可以和另外254台设备相连接，使得整体网络可支持高达65,000个节点。
5) 安全性好，提供了三级安全模式，包括无安全设定、使用接入控制清单(ACL)以及高级加密标准(AES)的对称密码 [11] ，可以灵活的确认其安全属性，使网络安全可以得到更好的保障。
3.1.2. 关键技术
1) Zigbee协议栈
Zigbee协议提供了一个基于IEEE802.15.4标准MAC层和PHY层的分层结构，其技术结构如下图2所示 [12] 。Zigbee联盟在该基础上定义了应用层和网络层，这样的分层设计解决了无线传感器网络中对低功耗的要求，延长供电电池的使用寿命。物理层是协议层的最底层，主要是启动和关闭无线传输接收器、传输与接收数据、使用频道的选择、数据调变传输和接收解调等 [13] 。MAC是基于物理层来提供服务的，负责设备间无线数据链路的连接，维护和终结，确保在物理层的数据服务中可以准确接收。网络层为应用层提供数据实体和管理实体两种服务实体，确保完成建立和维护网络的任务。应用支持子层，应用框架，Zigbee设备对象和用户应用程序共同构成应用层，提供高级协议栈管理功能。
2) Zigbee网络的拓扑结构
Zigbee主要有三种组网方式，星形网络、树状网络和网状网络 [14] 。星形网络配置一个Zigbee协调器节点和一个或多个终端设备。星形网络的数据和网络命令都是通过协调器传输，该网络结构简单。树状网络是多个星形拓扑的集合，若干个星形连接在一起，拓展到更广阔的区域，这种配置下终端设备可以加入Zigbee协调器或路由器，路由器为整个网络增加可能的节点数，扩展网络覆盖的物理范围，在此网络中，所有的信息都由树节点来组织路由。网状型是一个自由设计的拓扑，有很高的适应能力，网络中的每个节点都是一个小的路由器,都具有重新路由选择的能力，以确保网络最大限度的可靠性。网络拓扑的优势在于减少了消息传输的时延并且增加了可靠性。
Figure 2. The protocol stack structure of Zigbee
图2. Zigbee协议栈结构
3.2. 蓝牙4.0
3.2.1. 技术简介
蓝牙是一种短程宽带无线电技术，是实现语音和数据无线传输的全球开放性标准。它使用跳频扩谱(FHSS)、时分多址(TDMA)、码分多址(CDMA)等 [15] 先进技术，在小范围内建立多种通信与信息系统之间的信息传输。在2010年7月发布的蓝牙4.0版本是最具革命性的，带来的影响也是最大的，它是将传统蓝牙，高速蓝牙，和蓝牙3.0版本三种规格集于一体的低功耗蓝牙 [16] 。功耗比之前的版本降低了90%，具有极低的平均功耗，待机功耗，和峰值功耗，设备建立的时间，原来需要100 ms，现在最快在3 ms就可以完成连接。蓝牙4.0的传输距离可以达到100米以上，拥有AES-128加密方式，数据更加安全。蓝牙还有一些技术特点，采用跳频扩频技术，时分双工通信，而且蓝牙工作在全球免费通用ISM频段上，还能传输数据信号和语音信号 [17] 。
3.2.2. 关键技术
1) 蓝牙的系统组成
无线射频单元，负责数据和语音的接收和发送，具有短距离、低功耗的特点，且蓝牙天线体积小、重量轻。基带或链路控制单元，进行射频信号、数字或语音的相互转化，实现基带协议和其它的底层连接规程。链路管理单元，负责管理蓝牙设备之间的通信，实现链路的建立、验证、链路配置等操作。蓝牙软件协议规范，包括传输协议、中介协议和应用协议等。
2) 蓝牙核心协议
核心协议由基带(Baseband)、链路管理(LMP)、逻辑链路和适配协议(L2CAP)及业务搜寻协议(SDP)等4部分组成 [18] ，它为两个或多个蓝牙单元之间建立物理RF连接。
基带协议就是确保各个蓝牙设备之间的物理射频连接，以形成微微网。这个协议 [17] 可为基带数据分组提供两种物理连接方式，同步面向连接(SCO)和异步非连接(ACL)，SCO可以传输语音分组也能传输数据分组，ACL只能传输数据分组。链路管理协议，管理基带层内主从网络的运行，负责两个或多个设备之间的链路设置和控制，包括传递验证和加密，管理链路密匙。逻辑链路和适配协议，介于高层与底层的适应层，直接为上层服务，主要负责联两个蓝牙设备间数据信息传输时的分段及重组、多路复用和协商通道参数等功能。服务发现协议，是蓝牙技术框架中非常重要的一个部分，它使所有用户模式的基石也使用SDP，可以查询到设备信息和服务类型，然后蓝牙设备之间的连接才能建立。
3.3. 低功耗局域网技术比较
如表3，对Zigbee和蓝牙4.0进行基本情况的比较。
4. 低功耗无线通讯产业现状以及市场前景
物联网的概念是在1999年提出的，被当做是互联网的应用扩展。2005年，在突尼斯举行的信息社会
Table 3. Comparison of Low-power local area network technology
表3. 低功耗局域网技术比较
世界峰会上，正式提出了“物联网”的概念，它的定义和范围，已经发生了变化，物联网不再只是基于RFID技术的物联网。而随着物联网技术的不断发展和市场规模的不断扩大，其已经成为全球各国的技术及产业创新的重要战略，从而市场规模不断扩大，联网设备高速增长。目前我国物联网在农业、工业、医疗、交通和金融等方面都得到了相应的发展。
物联网可以广泛的应用在经济社会发展的各个领域，引发和带动了生产力、生产方式和生活方式的深刻改革 [19] ，通讯技术作为物联网的重要组成部分，对物联网各个单位之间进行信息传输与交流，尤为重要。总体来说，各种不同的通讯方式技术特点不同，在具体应用中，通过对功耗，成本，距离，连接数量的要求，选取适当的方式方法去实现物联网专用网络技术。物联网通讯技术总体可以分为两类，一类是蓝牙4.0，Zigbee等短距离传输方式，一类是LoRa，NB-IOT，Sigfox，Weightless等长距离通信方式，对于未来数以百亿级的设备联网需求，低功耗广域网可能会更胜一筹，但在大多数的场景下，物联网是一个多样化的市场，方案的实施和产品的设计都要基于带宽、覆盖范围、网络容量、可靠性、电池寿命、成本、交互频率和扩展性等标准，找到一个平衡从而形成决策。各技术之间并不是完全的排斥的，互补共存要远远大于替代，低功耗广域网络和局域网络技术形成的互补共存在物联网市场中有多种表现形式，包括对原有解决方案的纵向扩展、增加生命周期管理能力等 [20] 。
本文介绍了几种常见的物联网通信方式及其技术特点，目前存在的低功耗网络技术非常多，不过大致可以分为低功耗广域网和低功耗局域网，通过对各项技术的全面比较，希望在接下来可以使用LoRa进行一些科研研究。LoRa的低功耗，低成本，超长传输距离和可以在非授权频段下工作的优点，很适合接下来在海洋渔业上的研究。
基金项目
中国水产科学研究院基本科研业务费资助：渔船船联网通用技术规范研究2017HY-ZD0802。
NOTES
*通讯作者。