14、物联网通信技术与网络接入层 IP 详解

物联网通信技术与网络接入层 IP 详解

1. 物联网通信类别与技术

1.1 Class B 和 Class C 通信模式

• Class B ：在 Class A 随机接收窗口的基础上，Class B 模式允许设备通过在计划时间打开额外的接收窗口，实现双向通信并定期接收数据。为了让设备在计划时刻打开接收窗口，网关会发送同步信号或标签。
• Class C ：同样支持双向通信，且设备拥有最多的接收时隙。通信过程中，设备的发射机基本关闭，接收机几乎持续打开接收窗口，连续接收数据。不过，Class C 模式比 Class A 和 Class B 更耗电。

1.2 LR WB 技术

LR（长距离）设备也有 WB（宽带）类型，主要分为非运营和运营网络。

1.2.1 LR WB in RPMA – Ingenu

• 公司背景 ：美国公司 Ingenu（原 On - Ramp Wireless）自 2005 年成立以来，活跃于物联网专业市场。最初主要在美洲向企业销售基于数字射频应用的网络解决方案，用于石油勘探和天然气开采。2008 年更名为 Ingenu 后，业务扩展到公共部门网络建设，主要在美国销售无线电模块和滚动数据计划。其客户包括 M2M 和 IoT 解决方案供应商，应用于城市环境（智能电表）、农业领域和油田等。
• 通信频段与特点 ：该解决方案工作在全球免费的 2.4 GHz ISM 频段。与 900 MHz 系统相比，理论覆盖范围较差，且因水或地面等障碍物导致传播损耗更大。不过，相关规定允许更大的发射功率，一定程度上弥补了覆盖范围的损失。在欧洲，2.4 GHz 设备需认证，部分国家户外使用该频率可能需要许可证。
• RPMA 技术 ：基于随机相位多址接入（RPMA）技术，是 DSSS 通信的一种变体，具有多址接入功能：
  • 带宽为 1 MHz，频谱扩展因子高。
  • 上行数据速率为 624 kbit/s，高于 SIGFOX 和 LoRa，但能耗更高。
  • 下行数据速率为 156 kbit/s。
  • 设备移动时，数据速率降至 2 kbit/s，仍能满足大多数 IoT 应用需求，比 2G 和 SIGFOX 快。
  • 支持高效双向传输，设备接收灵敏度为 - 142 dBm，总链路预算为 172 dB，尽管使用 2.45 GHz 频率仍有广泛覆盖范围。
• 协议特点 ：与旨在提供高比特率但功耗大的蜂窝网络不同，RPMA 优化为在最大程度覆盖的同时最小化设备电池消耗。为节省电池寿命，开发了特定连接协议，在访问设备时，父系统会验证设备状态和数据接收情况。此外，Ingenu 协议还能对设备进行地理定位和精确跟踪，而 LR LTN NB 和 DSSS 系统在跟踪精度上较差，地理定位应用常需单独的全球导航卫星系统（GNSS）模块。

1.2.2 其他 LPWAN 协议

除了 SIGFOX、LoRaWAN 和 Ingenu 这三种目前最流行、应用最广泛的协议外，市场上还有其他 LPWAN 解决方案：
- Weightless 标准 ：由 Weightless 特殊兴趣小组（SIG）开发和维护，有多种实现方式（Weightless - W、 - N 和 - P）。
- Dash7 ：最初由美国公司 SAVI Technology 支持，现由 Dash7 联盟维护。
- ThingPark Wireless ：基于 LoRaWAN，由 Actility 销售。

1.3 非运营 LR NB 和 WB 网络总结

协议	特点
SIGFOX	- “封闭”系统，数据流量需通过专有云平台，用户需签约付费。 - “开放”方面，用户可从众多供应商自由购买硬件和组件。 - 适合从设备向云端发送简单消息的应用。
LoRa	- 允许用户部署和管理自己的网络。 - “开放”系统，用户可从供应商获取模块和网关。 - 部分“封闭”，Semtech 控制某些无线电芯片制造，但下游有众多供应商提供通信材料。
LoRa 和 SIGFOX	- 在欧洲有较高渗透率，正扩展到北美。 - 国际推广因需适应本地监管要求而延迟。 - 拓展到新地区时，因频段许可和频谱差异面临困难。
Ingenu	- 用户可直接从 Ingenu 购买硬件，自行部署通信解决方案。 - Ingenu 也销售其管理的公共网络数据计划。
SIGFOX 和 Ingenu	- 持续增长。 - 有潜力成为全球物联网移动网络运营商（MNO），提供区域和全球物联网数据计划。 - 是传统 MNO 收购的主要目标，以成为 M2M 的主要推动者。

2. 运营 LR WB 网络与 LTE - M 技术

2.1 运营 LR WB 网络概述

长距离宽带无线技术中，部分 MAN 或 WAN 类型的网络在有独家授权的频率上运营。例如法国的 ANFR 提到的扩展部署运营网络包括：
- 经典蜂窝网络，大多属于历史蜂窝网络，主要使用 2G、3G、4G 等技术（5G 有待发展）。
- 通过蜂窝网络的 LPWAN 解决方案，如 EC - GSM、LTE M 和 NB - IoT，正由 ETSI 的 3GPP 进行标准化，目前正在广泛推广。

2.2 LTE 和 LTE - M

2.2.1 LTE 简介

LTE（长期演进），通常称为“4G”，是一种用于移动通信的高数据速率技术。ETSI 的 3GPP 中，无线电接入网络（RAN）工作组负责移动网络技术（GSM、UMTS、LTE）的规范制定。自 2014 年底以来，一直在研究 LTE - M（LTE - 机器对机器）版本，目前已接近最终定义。这些努力为 5G 移动网络奠定了基础，预计 5G 将于 2020 年生效，其中 IoT 和 LPWAN 将至关重要。

2.2.2 LTE - M 在 IoT 中的挑战

• 满足广泛设备需求 ：任何 LTE M2M 系统必须支持从智能电表到饮料机、车队管理工具和医疗设备安全等各种不同的设备，这些设备需求差异大，LTE - M 系统需具备高度的使用灵活性。
• 提供低成本设备 ：大多数 M2M 设备体积小，价格敏感。LTE - M 需要以低成本提供蜂窝系统的优势。
• 长电池寿命 ：许多 M2M 设备长时间无人监管，且可能无电源供应。现场维护和更换电池成本高，因此设备电池寿命需长达十年，这意味着 LTE - M 系统能耗要极低。
• 改善 RF 覆盖 ：LTE - M 应用需在各种位置运行，不仅是 RF 接收良好的地方，还包括建筑物内部和接收较差的难以访问区域。
• 容忍大量设备和低比特率 ：随着市场上远程设备数量的增加，LTE - M 网络结构必须能够容纳大量连接设备，以低数据速率提供少量数据，但短时间内可能有峰值。

2.2.3 LTE - M 版本 13

为满足 M2M 和 IoT 应用需求，2016 年 3GPP 发布了 LTE - M 技术的第 13 版规范，包括两个新的面向 M2M 的类别：
- LTE Cat 1.4 MHz ：数据速率约为 1 Mbit/s，最大发射功率为 20 dBm，频谱占用为 1.4 MHz，远低于 LTE 技术。
- LTE Cat 200 kHz（LTE - M NB IoT） ：物理层（RAN1）和媒体访问控制层（RAN2）规范始于 2015 年第三季度，支持窄带（NB）IoT，带宽为 200 kHz，上下行数据速率约为 150 kbit/s。

2.2.4 LTE - M 版本比较

版本	CAT	上行峰值速率（Mb/s）	下行峰值速率（Mb/s）	天线数量	双工模式	接收带宽（MHz）	发射功率（dBm）	调制解调器复杂度（%）
Rel. 8	CAT 4	50	150	2	全双工	20	23	100
Rel. 12	CAT 0	1	1	1	半双工	20	23	40
Rel. 13	CAT 1.4 MHz	1	1	1	半双工	1.4	20	20
Rel. 13	CAT 200 kHz（LTE - M NB IoT）	0.250（多音） 单音：支持 3.75 和 15 kHz 两种可配置传输	15 kHz 子载波间隔的信道传输	1	半双工	0.2	23	< 15

2.3 移动边缘计算（MEC）

面对物联网服务的出现，如视频流分析、地理定位、增强现实等，以及 5G 的到来，网络运营商正寻求在网络边缘添加分析功能，以处理大量未结构化数据。移动边缘计算（MEC）应运而生，其主要功能是超低延迟、高带宽和实时访问网络。目前，MEC 相关规范正在由 ETSI 的 MEC 工作组进行标准化，主要规范包括：
- GS MEC 001：术语和 MEC 设备的功能元素。
- GS MEC 002：移动计算节点在网络边缘的部署和互操作性技术要求，以及示例用例描述。
- GS MEC 003：使 MEC 应用在移动网络中有效透明运行的框架和参考架构。

2.4 从基站到服务器

基站（或网关）接收设备的消息，主要作为中继将数据通过地面链路传输到收集网络和服务器。关于数据交换的主导方存在疑问，实际上，基站和服务器都在一定程度上发挥作用。

2.5 网络接入层 IP - IPv4

IPv4（IP 协议第 4 版）是目前互联网和大多数私有网络中用于数据包传输和路由的主要网络协议，属于 OSI 模型的第 3 层。它使用 32 位编码的地址（理论上有 4,294,967,296 个可能地址），每个用户可拥有唯一的 IP 地址在互联网上标识自己。IPv4 消息头的第一个字段由 4 位组成，指示所使用的协议版本。

IPv4 头
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31
IP 版本  头长度  服务类型  总长度  标识  指示符  分段偏移  寿命  协议  头校验和  源地址  目的地址  选项 + 填充

综上所述，物联网通信技术涵盖多种模式和协议，各有特点和适用场景。LTE - M 技术在满足物联网设备需求方面不断发展，移动边缘计算为网络性能提升提供了新方向，而 IPv4 仍然是网络接入层的重要基础。随着技术的不断进步，物联网的应用将更加广泛和深入。

3. IPv4 技术细节与未来展望

3.1 IPv4 地址分配与子网划分

IPv4 地址由 32 位二进制数组成，通常用点分十进制表示。地址分为网络部分和主机部分，通过子网掩码来区分。子网掩码是一个 32 位的二进制数，其中连续的 1 表示网络部分，连续的 0 表示主机部分。例如，子网掩码 255.255.255.0 表示前 24 位为网络部分，后 8 位为主机部分。

子网划分的目的是提高 IP 地址的利用率，将一个大的网络划分为多个小的子网。通过合理的子网划分，可以减少广播域的大小，提高网络性能。以下是一个简单的子网划分示例：

假设我们有一个网络地址 192.168.1.0，子网掩码为 255.255.255.0，现在需要将其划分为 4 个子网。

步骤如下：
1. 确定需要的子网位数：因为要划分 4 个子网，$2^n \geq 4$，所以 $n = 2$（$n$ 为子网位数）。
2. 新的子网掩码：原子网掩码为 255.255.255.0（/24），增加 2 位子网位后，新的子网掩码为 255.255.255.192（/26）。
3. 计算子网地址：
- 第一个子网：网络地址 192.168.1.0，广播地址 192.168.1.63，可用地址范围 192.168.1.1 - 192.168.1.62。
- 第二个子网：网络地址 192.168.1.64，广播地址 192.168.1.127，可用地址范围 192.168.1.65 - 192.168.1.126。
- 第三个子网：网络地址 192.168.1.128，广播地址 192.168.1.191，可用地址范围 192.168.1.129 - 192.168.1.190。
- 第四个子网：网络地址 192.168.1.192，广播地址 192.168.1.255，可用地址范围 192.168.1.193 - 192.168.1.254。

3.2 IPv4 面临的问题与 IPv6 的兴起

尽管 IPv4 在互联网发展中发挥了重要作用，但随着物联网、移动互联网等技术的快速发展，IPv4 地址枯竭的问题日益严重。理论上，IPv4 只有约 43 亿个地址，而全球互联网设备数量呈爆炸式增长，IPv4 地址已经无法满足需求。

此外，IPv4 在安全性、移动性和服务质量等方面也存在一定的局限性。为了解决这些问题，IPv6 应运而生。

IPv6 使用 128 位地址，理论上有 $2^{128}$ 个地址，几乎可以满足未来无限的设备连接需求。IPv6 还具有更好的安全性、移动性和服务质量支持。以下是 IPv4 和 IPv6 的一些主要区别对比：

特性	IPv4	IPv6
地址长度	32 位	128 位
地址表示	点分十进制	冒分十六进制
地址数量	约 43 亿	几乎无限
报头格式	固定长度 20 字节（可选字段可变）	固定长度 40 字节
安全性	需额外协议（如 IPsec）	内置 IPsec
自动配置	有限支持	支持无状态和有状态自动配置

3.3 IPv6 技术要点概述

3.3.1 IPv6 地址类型

• 单播地址 ：用于标识单个接口，数据包将被发送到该接口。
• 组播地址 ：用于标识一组接口，数据包将被发送到该组中的所有接口。
• 任播地址 ：用于标识一组接口，数据包将被发送到该组中距离最近的接口。

3.3.2 IPv6 地址表示

IPv6 地址由 8 组 16 位的十六进制数组成，每组之间用冒号分隔。例如：2001:0db8:85a3:0000:0000:8a2e:0370:7334。为了简化表示，连续的 0 可以用双冒号（::）代替，但双冒号在一个地址中只能出现一次。例如，上述地址可以简化为 2001:db8:85a3::8a2e:370:7334。

3.3.3 IPv6 自动配置

IPv6 支持无状态自动配置和有状态自动配置。
- 无状态自动配置 ：设备通过接收路由器发送的前缀信息，结合自身的接口标识符生成 IPv6 地址。
- 有状态自动配置 ：类似于 IPv4 中的 DHCP，设备通过 DHCPv6 服务器获取 IPv6 地址和其他配置信息。

3.4 物联网通信技术发展趋势

• 多种技术融合 ：未来物联网通信将不再依赖单一技术，而是多种技术相互融合。例如，LPWAN 技术与 5G 技术结合，既能满足低功耗、广覆盖的需求，又能提供高带宽、低延迟的服务。
• 边缘计算与云计算协同 ：边缘计算将计算和数据存储靠近数据源，减少数据传输延迟和带宽需求。云计算则提供强大的计算和存储能力，用于处理大规模数据和复杂计算。两者协同工作，将提高物联网系统的性能和效率。
• 安全性提升 ：随着物联网设备数量的增加，安全问题将成为重中之重。未来的物联网通信技术将更加注重数据加密、身份认证和访问控制等安全机制的完善。

3.5 总结

物联网通信技术涵盖了多种通信模式和协议，从 Class B 和 Class C 的通信模式，到 LR WB 技术中的各种协议，再到 LTE - M 技术和移动边缘计算，每个技术都有其独特的特点和应用场景。网络接入层的 IPv4 虽然面临地址枯竭等问题，但仍然是目前网络的重要基础，而 IPv6 作为未来的发展方向，将为物联网的大规模发展提供有力支持。随着技术的不断进步，物联网将在更多领域得到应用，为人们的生活和工作带来更多便利。

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通过以上对物联网通信技术和网络接入层 IP 的详细介绍，我们可以看到物联网领域的技术发展迅速且复杂。了解这些技术的特点和应用场景，对于推动物联网的发展和应用具有重要意义。在未来的发展中，我们需要不断关注技术的创新和演变，以适应不断变化的市场需求。