1.3.2 无线通信技术

智能家居物联网以一体化、移动化、云端化为发展方向，无线通信技术可完成智能设备与家庭网络自行连接，是实现智能家居系统的核心部分。目前，针对物联网应用的无线通信技术有很多，如图1-8所示[15]，主要分为两类：一类是ZigBee、Wi-Fi、蓝牙、Z-Wave等短距离通信技术；另一类是低功耗广域网（Low Power Wide Area Network，LPWAN），即广域网通信技术。LPWAN又可分为两类：一类是工作于未授权频谱的LoRa、SigFox等技术；另一类是工作于授权频谱下，3GPP支持的2G/3G/4G蜂窝通信技术，比如EC-GSM、LTECat-m、NB-IoT等。这里将针对智能家居无线组网技术的应用，对几种常用的和将来具有应用潜力的无线通信技术进行说明，如Wi-Fi技术、蓝牙技术、ZigBee技术、Thread技术、Z-Wave协议、LiFi技术、LoRa技术和NB-IoT技术等。

图1-8 物联网无线通信技术与应用场景分类

（1）Wi-Fi技术

Wi-Fi（Wireless-Fidelity，无线保真）是无线局域网（Wireless Local Area Network，WLAN）中的一个标准，遵循IEEE802.11协议，自1999年推出以来一直是人们生活中较常用的访问互联网的方式之一。通常Wi-Fi技术使用2.4 GHz和5 GHz周围频段，通过有线网络外接一个无线路由器，就可以把有线信号转换成Wi-Fi信号，Wi-Fi标准家族主要有IEEE802.11a、IEEE802.11b、IEEE802.11g、IEEE802.11n、IEEE802.11ac和IEEE802.11ax。为了能有效识别标准之间的先后顺序，IEEE决定以数字的方式进行命名，即IEEE802.11n为Wi-Fi4，IEEE802.11ac为Wi-Fi5，IEEE802.11ax为Wi-Fi6[19]。

目前Wi-Fi通信技术有两个发展趋势，一个是向高速率高频段发展。如“三频段千兆”IEEE802.11ac Wi-Fi路由器可承诺数据传输速率为5300～5400Mbit/s，IEEE802.11ax标准还在开发中，预计数据传输速率能达到10Gbit/s，使用5 GHz频段。而IEEE802.11ad则属于WiGig（Wireless Gigabit，无线千兆）高端Wi-Fi，利用不需要牌照的60GHz频谱，通过4个2.16GHz频段获得至高7 Gbit/s的超高数据传输速率。正在开发中的IEEE802.11ay是WiGig的增强标准，工作频谱为60GHz，数据传输速率可高达20Gbit/s，只是数据传输距离较短，不具备穿墙能力。

另一个则是向低频段广覆盖发展。如2016年Wi-Fi联盟公布的IEEE802.11ah Wi-Fi标准——Wi-Fi HaLow，使Wi-Fi可以被运用到更多地方，如小尺寸、电池供电的可穿戴设备，同时也适用于工业设施内的部署，以及介于两者之间的应用。HaLow采用900MHz频段，低于当前Wi-Fi的2.4 GHz和5 GHz频段，具有更低功耗，同时HaLow的覆盖范围可以达到1 km，信号更强，且不容易被干扰。这些特点使Wi-Fi更加顺应了物联网时代的发展。

（2）蓝牙技术

蓝牙技术最早始于1994年，由瑞典爱立信研制，遵循IEEE802.15.1协议，主要用于实现固定设备、移动设备和楼宇个人域网之间的短距离数据交换。

蓝牙是基于数据包、有着主从架构的通信协议，采用跳频技术，通信频段为ISM波段2.402～2.480GHz。将传输的数据分割成许多数据包，通过79个指定的蓝牙频道分别进行数据包传输，蓝牙主设备最多可以同时和7个通信设备进行有效连接，克服了数据同步的难题。

经过多次迭代升级，蓝牙已经从1.2版本的数据传输速率仅为1 Mbit/s，到4.0版本实现的理论数据传输速率可达到24 Mbit/s，传输速率得到了极大的提升，通信半径从几米到几百米延伸。在微信和百度云还不太普及的时候，人们经常打开自己手机里的蓝牙设备，把手机上好玩好看的东西分享给周围的朋友。蓝牙技术被广泛地使用在手机、PDA等移动设备，PC、GPS设备以及大量的无线外围设备（蓝牙耳机、蓝牙键盘等）。

蓝牙技术也紧跟物联网的发展脚步。蓝牙4.2数据传输速率可达1 Mbit/s，隐私功能更强大，可直接通过IPv6和6LoWPAN接入互联网。目前，蓝牙5与蓝牙4.2相比理论传输速率提高了一倍，即2Mbit/s，有效传输理论距离增加到300m[20]。在智能家居领域，采用了Bluetooth Smart技术的蓝牙设备之间可以不通过网络就能实现设备与设备之间的“对话”。由此可以解决在突然断网没有Wi-Fi的情况下，智能家居设备仍将可以继续工作。蓝牙技术的优点是速率快、功耗低、安全性高；缺点是网络节点少、不适合多点布控。

（3）ZigBee技术

ZigBee于2003年被正式提出，它的出现是为了弥补蓝牙通信协议的高复杂、功耗大、距离近、组网规模太小等缺陷，遵循IEEE802.15.4协议，名称取自蜜蜂（Bee）。蜜蜂靠飞翔和“嗡嗡”（Zig）地抖动翅膀的“舞蹈”来与同伴传递花粉所在的方位信息，依靠这样的方式构成了群体中的通信网络。ZigBee可工作在3个频段：868～868.6MHz、902～928 MHz和2.4～2.4835 GHz，其中最后一个频段在世界范围内通用，并且该频段为免付费、免申请的无线电频段。3个频段传输速率分别为20kbit/s、40kbit/s和250kbit/s。

ZigBee采用自组网的方式进行通信，也是无线传感器网络领域最为著名的无线通信协议。在无线传感器网络中，当某个传感器的信息从某条通信路径无法顺畅地传递出去时，动态路由器会迅速地找出另外一条近距离的信道传输数据，从而保证了信息的可靠传递。ZigBee主要应用在距离短、功耗低、传输速率不高的电子设备间进行数据传输以及典型的有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据传输的应用。通信距离从标准的75 m到几百米、几千米，并且支持无限扩展，最多支持65 000个设备组网，安全性很高，在智能家居方面具有很强的潜在优势。

ZigBee虽不算主流的无线通信技术，但却以其低功耗、低成本、低速率、高容量、长时间的电池寿命的特点深受一些厂商的追捧。例如，2015年小米推出的系列家庭智能产品，全都支持ZigBee通信，以及最近推出的小米温湿度传感器。ZigBee技术的优点是安全性高、功耗低、组网能力强、容量大、电池寿命长；缺点是成本高、抗干扰性差、ZigBee协议没有开源、通信距离短。

（4）Thread技术[21]

Thread和ZigBee同属IEEE802.15.4，但是针对IEEE802.15.4做了很大的改进。Thread是一种基于IPv6的低功耗网状网络技术，主要是为物联网设备提供安全、无缝通信。最初设计Thread是为了针对智能家居和楼宇自动化应用，如电器管理、温度控制、能源使用、照明、安全等，现其范围已扩展至更广泛的物联网应用当中。

Thread使用了6LoWPAN技术，并基于IEEE802.15.4网状网络协议，因此Thread也是IP可寻址，其不仅能为低成本、电池供电的设备之间提供有效通信，也支持云和AES加密。由于Thread关注低功耗和固有支持IP属性，其在实现万物互联与网络间无缝互联上形成优势，其协议与标准如图1-9所示。

图1-9 Thread协议与标准

目前，它受到了高通、海尔等数十家企业组成的物联网联盟AllSeen的支持，也可支持苹果的Homekit智能家居平台，谷歌旗下的Nest 已将Thread定为家庭物联网的唯一通信协定。Thread Group联盟也已经发布了标准的软件测试工具用于所有Thread协议栈和最终Thread产品认证，来确保出色的互操作性，Thread在短距离通信上也将大有可为。

（5）Z-Wave协议[22]

Z-Wave无线组网规格于2004年被提出，由丹麦的芯片与软件开发商Zensys主导，Z-Wave联盟推广其应用。Z-Wave工作频率为美国908.42 MHz、欧洲868.42 MHz，采用无线网状网络技术，因此任何节点都能直接或间接地和通信范围内的其他邻近节点通信。利用FSK（BFSK/ GFSK）等调制方式，可以实现9.6～40kbit/s的数据传输速率，信号可以在室内传输30m，室外可大于100m。

Z-Wave是一种新兴的基于射频的、低成本、低功耗、高可靠的近距离无线通信技术，适于短距离、窄带宽的应用场合。Z-Wave利用动态路由技术，使每个Z-Wave网络都有自己的网络地址，网络内每个节点的地址由控制节点分配。每个网络最多可以容纳232个节点，包括控制节点。Zensys提供Windows开发用的动态链接库（Dynamically Linked Library，DLL），开发者利用该DLL内的API函数来进行PC软件设计。利用Z-Wave技术搭建的无线近距离网络，不仅可以实现对家电的遥控，甚至可以通过广域网对Z-Wave网络中的设备进行控制。

Z-Wave专注于家庭自动化，在欧美比较流行，进入国内市场较ZigBee晚，市场份额也远远不及ZigBee，且由于频带划分的原因，虽能在国内发展，但也是走得小心翼翼。相对ZigBee，Z-Wave传输距离远、可靠性高，但标准不开放，芯片只能通过Sigma Designs这一唯一来源获取。

（6）LiFi技术[23]

LiFi（光保真技术）是一种利用可见光波谱（如灯泡发出的光）进行数据传输的全新无线传输技术，由英国爱丁堡大学电子通信学院移动通信系主席、德国物理学家HaraldHass教授发明。LiFi相当于Wi-Fi的可见光无线通信（Visible Light Communication，VLC）技术，可同时提供照明与无线联网，且不会产生电磁干扰。其基本原理是利用LED发出人眼无法看到的高频明暗闪烁信号来传递信息，LED灯光每秒可实现数百万次级的闪烁，通过将二进制数据快速编码成灯光信号进行传输，在接收端通过光敏传感器来接收信号。

与传统射频通信技术相比，LiFi拥有众多优点，由于LED灯使用广泛，它们都可以作为基站，这使LiFi拥有实现大规模应用的基础。除此之外，LiFi还拥有高速率、宽频谱等核心优势，能够有效缓解全球无线频谱资源短缺的现状。不过，由于LED灯光无法穿墙，容易被遮挡，这大大限制了其发展空间。

LiFi技术十分适用于办公室和家中，只要开了灯就能实现高速网络连接。同时，它也十分适合在智能交通上使用，通过这项技术，交通指示灯就能实时发送路况信息。

（7）LoRa技术[24]

LoRa是由美国Semtech公司支持的基于扩频技术的超远距离物联网无线通信技术。它使用线性调频扩频调制技术，既具有低功耗特性，又明显增加通信距离，同时也提高了网络效率并消除了干扰，即不同扩频序列的终端即使使用相同的频率同时发送数据也不会产生相互干扰，在此基础上研发的集中器/网关能够并行接收并处理多个节点的数据，大大扩展了系统容量。LoRa主要使用免费的非授权频段，并且是异步通信协议，具有功耗低、成本低廉的特点。

LoRa网络包括终端设备、网关、服务器，数据可以进行双向传输，传输距离最远可以达到15～20km。LoRa技术具有低功耗、大范围覆盖、易于部署的优点，这使其非常适用于低功耗、远距离、大规模等的物联网应用场景，例如智能抄表系统、智慧停车、车辆定位追踪、智慧农业、智慧工业、智慧城市等领域。

（8）NB-IoT技术

窄带物联网（Narrow Band Internet of Things，NB-IoT）是万物互联网络的一个重要分支。NB-IoT构建于蜂窝网络，只消耗大约180kHz的带宽，可直接部署于GSM网络、UMTS网络或LTE网络，以降低部署成本、实现平滑升级。NB-IoT是IoT领域一个新兴的技术，支持低功耗设备在广域网的蜂窝数据连接，也被叫作低功耗广域网。NB-IoT支持待机时间长、对网络连接要求较高设备的高效连接。据说NB-IoT设备电池寿命可以提高至少10年，同时还能提供非常全面的室内蜂窝数据连接覆盖。

2014年5月，华为提出了窄带技术NB M2M；2015年5月融合NB OFDMA形成了NB-CIoT；7月，NB-LTE与NB-CIoT进一步融合形成NB-IoT；NB-IoT标准在3GPP R13出现，并于2016年6月冻结。NB-IoT具备四大特点：一是广覆盖，NB-IoT将提供改进的室内覆盖，在同样的频段下，NB-IoT比现有的网络增益20dB，相当于提升了100倍覆盖区域的能力；二是具备支撑连接的能力，NB-IoT一个扇区能够支持10万个连接，支持低时延敏感度、超低的设备成本、低设备功耗和优化的网络架构；三是更低功耗，NB-IoT终端模块的待机时间可长达10年；四是更低的模块成本，企业预期的单个接连模块成本不超过5美元。

NB-IoT的物理信道在很大程度上是基于LTE的，NB-IoT的上行采用SC-FDMA，下行采用OFDMA，载波带宽是180kHz，这确保了下行与LTE的兼容性。下行发射功率为43dBm，上行为23dBm。调制方式以QPSK和BIT/SK为主。对于下行链路，NB-IoT设计了3种物理信道，包括窄带物理广播信道、窄带参考信道、主同步信号和辅同步信道。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。移动网络的信号覆盖范围取决于基站密度和链路预算。NB-IoT具有164dB的链路预算，GPRS的链路预算是144dB，LTE是142.7dB。与GPRS和LTE相比，NB-IoT链路预算有20dB的提升，开阔环境信号覆盖范围可以增加7倍。20dB相当于信号穿透建筑外壁发生的损失，NB-IoT室内环境的信号覆盖相对要好。一般情况下，NB-IoT的通信距离是15 km。

当前，NB-IoT在细分领域上有公共服务领域、个人生活领域、工业制造领域和新技术新业务等多个领域方面可推广应用，而垂直行业主要集中在交通行业、物流行业、卫生医疗、商品零售行业、智能抄表、公共设施、智能家居、智能农业、工业制造、企业能耗管理、企业安全防护等方面。