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物联网相关网络技术
赋予万物生命：
物联网向我们走来
前言
前言
在路上，也许你的需要买一些东西，
只要你的手机就可以支付账单了。。
。
前言
当你出门的时候，你不需要带车钥匙，用你的
身份证或者你的银行卡就可以开车门了，也许
简单一点，用你的指纹就开动了座驾。最关键
的是在路上的时候，已经有车载终端的为你提
醒今天走哪一条路不堵车。。。
晚上回来，你吃饭完，要去溜溜你的狗，也许
昨天你没有带它出去，会有信息提醒你，这个
狗今天需要的多远的距离比较适合“狗狗”
身体情况。
前言
这一切在将来都在慢慢变成现实，实现这些的就
是：
物联网
全球物联网应用增长态势明显，
万物互联时代开启。
物联网简介
物联网
一、物联网的定义
物联网的英文名称是“Internet of Things”，它的概念最
早是在1999年，由麻省理工学院Auto-ID研究中心提出的。它
是指利用产品电子代码EPC、射频识别技术，通过网络（当时
网络的概念还仅限于通过互联网），实现在任何的时候，任
何地点对任何物品识别和管理，即物品的互联互通。
物联网是在互联网、传感网等概念上衍生
出来的一种满足人们更多需求的新型网络。从
电子信息技术角度来说，物联网是计算机、网
络与传感器技术及软件的综合技术。
国际电信联盟(ITU) 的定义
物联网主要解决物品到物品(Thing to Thing，T2T)
，人到物品(Human to Thing，H2T)，人到人
(Human to Human，H2H)之间的互联。”这里与
传统互联网不同的是，H2T是指人利用通用装置与
物品之间的连接，H2H是指人之间不依赖于个人电
脑而进行的互连。
物联网
中国政府工作报告的定义
物联网是通过传感设备按照约定的协议，把各种网络连接起
来，进行信息交换和通信，以实现智能化识别、定位、跟踪、
监控和管理的一种网络。
物联网
物联网
与互联网相比，有如下主要特征
1. 海量信息：
2. 接入设备繁杂：
3. 网络架构繁杂：
4. 网络管理自治：
5. 智能物物互联：
6. 物理安全威胁：
7. 能量获取多样：
8. 设备制造的小型微型化
物联网
（中国移动定义的物联网的体系结构）
物联网的体系结构
网络技术
计算机网络的分类
按网络覆盖范围进行分类：
互联网、物联网与接入
互联网——物联网的传输通信保障
互联网、物联网与接入
从端系统接入的角度看互联网的结构
从端系统接入的角度看物联网的结构
17
从网络数据采集与传输内容的角度看互联网与物联
网的区别与联系
互联网、物联网与接入技术
（1）互联网主要是实行人与人之间的信息交互与共享，因此
在互联网端结点之间传输的文本文件、语音文件、视频文件都
是由人输入的，即使是通过扫描和文字识别OCR技术输入的
文字或图形、图像文件，也都是在人的控制之下完成的。
（2）物联网的端系统采用的是传感器、RFID，因此物联网感
知的数据是传感器主动感知或者是RFID读写器自动读出的。
由此可见，在网络端系统数据采集方式上，互联网与物联网是
有区别的。
物联网与互联网在数据采集、传输内容上的区别：
计算机网络发展的三条主线
互联网的形成与发展
起源于ARPANET
集中式和非集中式
拓扑构型
分布式网络的拓扑构型
技术的基本设计思路
网络中没有一个中心控制节点，联网计算机独立地完
成数据接收、转发、接收的功能
发送数据的主机预先将待发送的数据封装成多个短的、
有固定格式的分组
如何发送主机与接收主机之间没有直接连接的通信线
路，那么分组就需要通过中间节点“”，这种中间转
发节点就是目前广泛使用的路由器
每个路由器可以根据链路状态与分组的源地址、目的
地址，通过路由选择算法为每个分组选择合适的传输
路径
当目的主机接收到属于一个报文的所有分组之后，再
将分组中多个短的数据字段组合起来，还原成发送主
机发送的报文
ARPANET设计思想
通信子网结构与分组交换原理示意图
存储转发
NSFNET对互联网发展的影响
从ARPANET到Internet的发展过程
互联网的形成
互联网是一个全球范围的信息资源网，接入互
联网的主机可以是信息服务的提供者，也可以
是信息服务的使用者
传统的互联网应用主要有E-mail、TELNET、
FTP、BBS与 Web
互联网的全球性与开放性，使人们愿意在互联
网上发布和获取信息，浏览器、搜索引擎、
IPTV、IP电话等
P2P技术的产生，对互联网的发展产生重要的
作用，使互联网中的信息更丰富、使用更方便
互联网的高速发展与信息高速公路的建设
20世纪90年代，世界经济的发展带动了信息产业
的发展，信息技术与网络应用已成为衡量21世纪
综合国力与企业竞争力的重要标准
1993年9月美国公布了国家信息基础设施（NII）
建设计划，NII被形象地称为信息高速公路
各国政府开始认识到信息产业发展对经济发展的
重要作用，开始制定信息高速公路建设计划
1995年2月全球信息基础设施委员会成立，目的
是推动与协调各国信息技术与信息服务的发展与
应用
广域网与三网融合技术的发展
1.广域网技术发展的背景
• 广域网建设投资很大，管理困难，通常由电信运营商
负责组建、运营与维护，因此广域网是一种公共数据
网络。
• 广域网需要保证数据交换的服务质量（QoS），因此广
域网研究的重点是宽带核心交换技术。
• 互联网的广泛应用推动电信网技术的高速发展，电信
运营商的服务业务也从以语音服务为主逐步向数据业
务方向发展。
三网融合
“三网融合”实质上是计算机网络、电信通信网与电
视传输网技术的融合、业务的融合
互联网中边缘部分与核心交换部分结构示意图
IP网络：从IPv4到IPv6
互联网的核心技术是TCP/IP协议，它的网络层
使用的是IP协议
核心交换网中所示的所有路由器都必须支持IP
协议，因此互联网核心交换网也称为IP网络
其他的通信网络，如移动通信网不使用IP协议，
因此将不支持IP协议的网络称为非IP网络
由于IP网络与非IP网络的网络层协议不同，属
于异构的网络，异构网络的互联需要通过具有
协议变换功能的网关（gateway）来实现
从IPv4到IPv6
IP协议共出现过6个版本，正式形成国际标准、
被采用的是IPv4与IPv6协议
IPv4协议是在1981年制定的，地址长度为32
位
2011年2月3日最后5块IPv4地址被分配给全球5
大区域互联网注册机构之后，IPv4地址全部分
配完毕
IPv6协议具有地址空间大，能够自动配置地址，
安全性与服务质量好的优点
从IPv4向IPv6的过渡已经是大势所趋
31
接入技术
接入技术类型
接入技术分类
33
接入技术
有线接入
电话交换网接入
有线电视网接入
光纤接入
局域网接入
电力线接入
无线局域网接入
无线自组网接入
无线城域网接入
移动通信网接入
无线接入
ADSL接入技术
ADSL可以在现有的用户电话线上通过传统的电话交换
网，以不干扰传统模拟电话业务为前提，同时能够提
供宽带互联网接入服务
HFC接入技术
HFC技术用光纤取代有线电视网络中干线同轴
电缆
光纤接到居民小区的光纤节点之后，小区内部
接入用户家庭仍然使用同轴电缆，形成了光纤
与同轴电缆混合使用的传输网络
在保证正常电视节目播放与交互式视频点播
VOD节目服务的同时，为家庭用户计算机接入
互联网提供服务
HFC结构示意图
v 光纤到路边（FTTC）
v 光纤到小区（FTTZ）
v 光纤到大楼（FTTB）
v 光纤到办公室（FTTO）
v 光纤到户（FTTH）
Mbit/s1 10 1000,1
室
外
固定
行走
车辆
室
内 固定/
桌面
行走
移动性
UMTS
W-LAN
IEEE
HyperLAN2
蓝牙G
S
M
, I
S
-9
5,
D
-A
M
P
S
W BB- LAN
广域网（WAN）
- 覆盖面
局域网（LAN）
- 热点 – 高速
个人局域网（PAN）
- 连接性，替代缆线
需要新的
频率分配
无线接入：不同技术的操作范围
无线宽带城域网结构
38
无线城市、WiFi接入点标志与应用情景
39
电力线接入技术
电力线通信PLC（Power Line Communication）
智能家居中的PLC网络结构示意图
无线网络标准
WWAN
WMAN
WLAN
WPAN
传
输
范
围
1010. 1 100 1000
数据传输率（Mbps）
IEEE 802工作组
UWB Zigbee
无线网络标准的比较
无线网络标准
10
100
1,000
10,000
10 100 1,000 10,000 100,000
Bandwidth
kbps
GSM
GPRS EDGE 2000
2003-4
2005
Bluetooth
3G
Hiper
LAN/2Bluetooth
Range
Meters
ZigBee
WiMediaBluetooth
ZigBee
ZigBee技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。又称
紫蜂协议，来源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂（bee）是靠
飞翔和“嗡嗡”（zig）地抖动翅膀的“舞蹈”来与同伴
传递花粉所在方位信息，也就是说蜜蜂依靠这样的方式构
成了群体中的通信网络。
其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速
率。主要适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各
种设备。
ZigBee协议从下到上分别为物理层（PHY）、媒体访问控
制层（MAC）、传输层（TL）、网络层（NWK）、应用层
（APL）等。其中物理层和媒体访问控制层遵循IEEE
标准的规定。
ZigBee 联盟
ZigBee 联盟是由全球多家知名科技公司而组成，通
过开放的专业标准，致力推动及研发可靠, 有效, 及
低功率的无线智能网络和监控产品。
ZigBee 联盟现有的理事公司包括 BM Group, Ember
公司, 飞思卡尔半导体, Honeywell, 三菱电机, 摩
托罗拉, 飞利浦, 三星电子, 西门子, 及德州仪器，
华为等。
ZigBee/协议结构
物理层
MAC 层
网络层
应用层
IEEE 定义
ZigBee 联盟定义
ZigBee
协议栈
ZigBee 网络应用
PERSONAL
HEALTH
CARE
ZigBee
LOW DATA-RATE
RADIO DEVICES
HOME
AUTOMATION
CONSUMER
ELECTRONIC
S
TV VCR
DVD/CD
Remote
control
security
HVAC
lighting
closures
PC &
PERIPHERAL
S
consoles
portables
educational
TOYS &
GAMES
INDUSTRIAL
&
COMMERCIAL
monitors
sensors
automation
control
mouse
keyboard
joystick
monitors
diagnostics
sensors
IEEE 基础
是为轻量级无线网络设计的一个简单的数据
包传输协议。
信道接入方法采用CSMA-CA机制（Carrier Sense
Multiple Access with collision avoidance ）
和可选的时隙（time slotting）机制。
消息确认机制和可选的信标帧结构。
多层次安全机制（AES-128加密）
能够在电池供电的情况下长时间运行。
IEEE 设备类型
中将设备分为两类：
全功能设备：full function device (FFD)
简化功能设备：reduced function device (RFD)
FFD能够在网络中承担三种角色
普通设备
协调器（或路由器）
PAN协调器
RFD在网络中只能承担一种角色：
普通设备
FFD vs RFD
全功能设备(FFD)
可以用来构建任意拓扑结构的网络
能够担任网络协调器
既能与RFD通信，也能与其它FFD通信
简化功能设备(RFD)
只能用来构建星型网络
无法担任网络协调器
只能与FFD进行通信
实现起来非常简单，适合于能量和资源受限的设备
设备地址
每个无线个域网（WPAN）至少需要包含一个FFD（担任
PAN协调器）。
每个独立的个域网将选定一个唯一的PAN ID（16位）。
网络中的每个设备，其自身都携带一个64位的全球唯
一地址：IEEE MAC扩展地址，也称为长地址，该地址
可用于个域网内的直接通信。
当设备成功入网后，将会被分配一个16位的短地址。
16位短地址只能保证在个域网内部是唯一的，所以在
使用16位短地址通信时需要结合16位的个域网网络标
识符才有意义。
ZigBee网络拓扑结构
星型
网型
树型
协调器
路由器
终端设备
星型拓扑结构
全功能设备(FFD)
简化功能设备(RFD)
数据流数据流
主主//从关系从关系
网络协调器网络协调器
网络实例
FFDRFD
RFD
RFD
FFD
FFD
RFD
FFDRFD
RFD
RFD
FFD
FFD
RFD
PANPAN协调协调器器
Zigbee芯片
主要ZigBee芯片提供商（）有：
TI（德州仪器）/CHIPCON（已被TI收购）
EMBER(ST意法半导体)
JENNIC(捷力)
FREESCALE（飞思卡尔）
MICROCHIP（微芯）
ZigBee技术提供方式有三种：
(1) ZigBee RF+MCU
TI 的CC2420/2530+MSP430 FREESCLAE的
MC13XX+GT60 MICROCHIP 的MJ2440+PIC MCU：
(2)单芯片集成SOC
TI 的CC2430/2530(8051内核) Freescale 的MC1321X
EMBER 的EM250
(3)单芯片内置ZIGBEE协议栈＋外挂芯片
JENNIC 的SOC+EEPROM EMBER 的260+MCU
CC2530芯片
TI 09年推出的，在CC2430的基础上做了一些改进，缓存加大了，存
储容量最大支持到256K，CC2530的通信距离可以达到400m。
CC2530的主要特点：
高性能和低功耗的8051微控制器核。
集成符合IEEE802．15．4标准的2．4 GHz的RF无线电收发机。
在休眠模式时仅1μA的流耗，外部的中断或RTC能唤醒系统
在待机模式时少于μA的流耗，外部的中断能唤醒系统
优良的无线接收灵敏度和强大的抗干扰性。
硬件支持CSMA／CA功能。
较宽的电压范围(2．0～3．6 V)。
数字化的RSSI／LQI支持和强大的DMA功能。
具有电池监测和温度感测功能。
集成了14位模数转换的ADC。
集成AES安全协处理器。
带有2个强大的支持几组协议的USART，以及2个常规的16位计时器和2个8
位计时器。
强大和灵活的开发工具
硬件连接图
Z-Stack协议栈
TI公司开发的Z-Stack是ZigBee协议栈，并且经过了
ZigBee联盟的认可而为全球众多开发商所广泛采用。
TI公司的Z-Stack协议栈装载在一个基于IAR开发环境
的工程里。
Z-Stack采用操作系统的思想来构建，采用事件轮循
机制，当各层初始化之后，系统进入低功耗模式，当事
件发生时，唤醒系统，开始进入中断处理事件，结束后
继续进入低功耗模式。如果同时有几个事件发生，判断
优先级，逐次处理事件。这种软件构架可以极大地降级
系统的功耗。
NB-IOT介绍
Narrow Band Internet of Things
(窄带蜂窝物联网)
62
63
目前�众消费市场�趋饱和，导致运营商盈利增长趋缓，亟待寻求新的盈利增长点。
据市场调研机构预测，未来5-10年物联网连接数和市场规模将发��规模井喷式发展。
物联网市场潜�巨�，即将进��规模井喷式发展
64
LPWA（Low Power Wide Area，低功耗广覆盖）类业务：物联网世界存在�量的传感类、控制类连接需求，这些连接速
率要求很低，但对功耗和成本�常敏感，且分布很广、海量，现有3G/4G技术从成本上�法满�需求；目前2G虽然已在承担�
部分对功耗要求相对不�的业务需求，但明显还有�量需求�法满�，也不是长期发展的�案。
物联网业务种类繁多，难以�单�技术满�
65
注：使� 5Wh电池，2G终端待机�概2个�左右
LPWA类 业 务
连接是全球产
业关注的重要
市场，也是公
司�向�连接战
略应当考虑满�
的场景之�，但
现有2G/3G/4G
网络难以承担
这类业务。
中国移动现有网络难以承担LPWA的重任
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LPWA开启低功率广覆盖物联网市场，NB IoT具备技术比较优势
1m 100m 10km
Bluetooth
ZigBee…
（短距覆盖）
WiFi
（短距覆盖）
UMTS/LTE
（高成本覆盖）
GSM
LPWA
（低功率广覆盖）
覆盖
100bps
100kbps
100Mbps
速率
移动物联网技术的不同定位
高安全性
高可靠性
高速率
低功耗
高频谱效率
大覆盖
低成本
低时延
短距通信
（WiFi等）
NB IOT
私有技术
（LoRa等）
NB IoT相对短距通信/私有技术优势明显
技术制式 网络定位
国际标准 NB IOT 可与现蜂窝网融合演进的低
成本电信级的高可靠性、高
安全性广域物联网技术
私有技术
LoRa 需独立建网、无执照波段的
高风险局域网物联技术
Sigfox 不适配国内无执照波段、由
Sigfox建网与运营商合作的高
成本高风险物联网技术
NB-IOT四大优势，专门定位“低频、小包、时延不敏感”物联网业务
20dB 增益 5$ 模组成本 10 年电池寿命 50K连接数每小区
广覆盖
§窄带功率谱密度提
升
§重传次数：16次
§编码增益
§简化射频硬件
§简化协议降低成本
§减小基带复杂度
§简化协议 , 芯片功耗低
§功放效率高
§发射/接收时间短
§频谱效率高
§小包数据发送特征
§终端极低激活比
低功耗 大连接 低成本
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NB IoT标准立项，2016年6月冻结
3GPP R13 联合提出NB M2M
提出NB OFDMA
提出NB LTE
NB-IOT
工作组
NB CIOT
报告发起者
NB-IOT
冻结
融合入
融合入
2017年为NB-IOT的元年
70
NB-IOT技术定义；FDD-LTE与TD-LTE的对比
p NB-IOT技术定义：
Ø 目前，仅FDD LTE系统支持NB-IoT技术，TD-LTE系
统不支持NB-IoT技术。
Ø NB-IoT是在基于FDD LTE技术上改造而来的，物理层
设计大部分沿用LTE系统技术，如上行采用SC-FDMA
，下行采用OFDM。高层协议设计沿用LTE协议，针
对其小数据包、低功耗和大连接特性进行功能增强。
核心网部分基于S1接口连接，支持独立部署和升级部
署两种方式。
结论：NB-IOT可以理解为一种简化版的FDD LTE
技术；
p 优点：NB-IoT在覆盖、功耗、成本、连接数等
��性能最优，最符合LPWA类业务需求;
p 缺点：NB-IoT�法满�对移动性及速率要求较�、
数据量�、需要语�业务的应�需求，可考虑
eMTC、Cat1等候选技术;
TDD-LTE与FDD-LTE主要对比:
TDD-LTE与FDD-LTE技术在用户应用层面是一样的，应用场景
一样；区别在于调度资源的方式不同；用户感知上，上行速率
比现网TD-LTE快（5M带宽下，FDD是TDD的2倍左右）；下行
速率比现网TD-LTE慢（5M带宽下，FDD是TDD的约1/3）;
技术体制 TD-LTE LTE FDD
主要技术差异
双工方式 TDD FDD
频段 F\E\D 900M
带宽
10/20M（上下行
共用频段）
2*5/2*10M(上下行
分开)
子帧上下行
配置
无线帧中多种子
帧上下行配置方
式
无线帧全部上行或
者下行配置
调度周期
随上下行配置方
式不同而不同，
最小1ms
1ms
71
NB-IOT组网框架
Device-to-Cloud
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国内外运营商对NB-IoT的频段的划分：
全球大多数运营商使用900MHz频段，有些运营商部署在800MHz频段。
中国联通的NB-IoT部署在900MHz、1800MHz频段，目前只有900MHz 可以试验。
中国移动将会获得FDD牌照，并且允许重耕现有的900MHz、1800MHz频段。
中国电信的NB-IoT部署在800MHz频段，频率只有5MHz。
NB-IOT智能抄表
智能抄表的需求
基本诉求：
• 低成本(海量规模)
• 低功耗(水表/气表，5年
)
• 深度覆盖(安装位置诉求
)
7am
9pm
业务诉求：
• 上报频次增加(阶梯收费、
大数据分析诉求)
• 监控告警(故障发现)
•实时上报(故障诊断)
基于NB-IOT抄表的优势和价值
• 面向未来的技术（垂直行业也都预期
2G网络都将于2018至2020年退网）
•低成本(南方电网考虑用4G替代2G模块，
每个表成本高超过100元)
• 一张网一个技术(当前因为2G覆盖问题，
技术碎片化)
• 安装维护方便
水务/燃气/
电力企业
运营商
•稳定的收入，低的投入（存量网演进投
入小，5年到10年持续的收入贡献）
• 成熟的产业(复用当前成熟的智能抄表
产业链)
• 现网MBB用户体验影响小
智能抄表
大量水表 多步计量
要求智能抄表系统
X
GPRS Short Range
要求性价比高的智能抄表系统
NB-IOT 打造智能水务系统
NB-IOT
Controller
ServerNB-IOT eNB
• 深度覆盖(20+dB gain vs GSM)
• 低功耗、低成本
• 智能数据管理
智能水表 智能气表
智能停车
NB-IOT使停车更加智能当前停车方案的挑战
C-IoT 控制器 M2M 业务管理
平台
• 快速问题处理
• 整个城市一张网，便于维护和管理
• 低功耗，长寿命
• 与物业分离，更易寻址安装
基于智能停车的车间器
工作温度:
-40°C~+70°C
尺寸 ：直径: 90mm; 高: 80 mm
材质:：铝制材质
每辆车下面的车
间器
网关收集信息并反馈给基站
APP收索车位
信息
复杂的问题处
理
高成本（设备，
安装等）
大电池容量 多网络组网
马路边
地下室
车检器
智能停车
P 空车位Available Lots
P1 停车场 0574
P2 停车场 0435
P3 停车场 0545
P4 停车场 0456
网络
智能停车
服务器
业务管理平台
管理员可以实时看到
停车场当前各个车位
使 用 状 态1
2
3
引 导 屏
车主在各级引导
屏看到停车场车
位 使 用 情 况
手 机 APP
车主在A PP上查看停
车场车位使用情况
车
位
占
用
/ 空
闲
车位占用/ 空闲
管 理 员
4
NB-IOT智能停车系统交互界面
1. 停车场查询
查询附近/目的地
的 停 车 场 信 息 进口
出口
出口
出入引导：分支路口引
l 指示各分支路口剩余车位数
l 分支路口方向 APP支付
宠物跟踪
NB-IOT 实现位置追踪等简洁应用
APP 查看/通知
老人跟踪与健
康信息上报
宠物环定期上
报位置信息
低成本，可扩展
商业模式
业务
平台
畜牧业 动物保护
• 终端成本低
• 信息简洁
• 应用面广
• 老人健康自动跟踪上报
• 市场空间大
连接包月
$3$3 $20$20
增值服务
• 自动告警推送
• 健康报告、服务推送
• 咨询建议
• …
• 基础费用
• 构建用户基数和群体
其他应用
智能水箱 智能垃圾桶 智能灯柱
智能自行车 智能拉杆箱
ofo与中国电信和华为达成NB-IOT合作
摩拜与四川移动、华为达成战略合作
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