3.3　近距离微功率无线通信需求

3.3.1　近距离通信频谱资源分析

1.433MHz频段资源

1）频段政策

原信息产业部（简称信产部，现已整合划入工信部）2005年9月规定了433MHz频段的使用要求。

（1）使用频段：314～316MHz，430～432MHz，433.00～434.79MHz。

（2）发射功率限值：10mW（e.r.p）。

（3）占用带宽：不大于400kHz。

2）使用情况

目前，频段范围433.00～434.79MHz属于国内免许可的工业、科学和医学开放频段。

3）优势及问题

使用这些频段不需要申请授权，但最大发射功率只有10mW，通信距离受限。

2.470MHz频段资源

1）频段政策

原信产部2005年9月对470MHz频段进行了规范说明。

2）使用情况

在国内，470～510MHz属于国家开放的免费无线计量仪表频段，国内的LoRa系统主要应用在该频段，最大发射功率可达到50mW。

3）优势及问题

使用该频段无须申请授权。

3.2.4GHz频段资源

1）频段政策

2002年8月原信产部发布了《关于调整2.4GHz频段发射功率限值及有关问题的通知》，为适应无线通信技术的发展，为科研、生产单位研发新技术、新产品提供研究频段和便利条件，满足无线电通信业务的需求，根据我国无线电频段划分规定和频率使用情况，并参照国际上通用的技术标准，决定调整2.4GHz频段无线电发射设备的部分技术参数[5]。

2）使用情况

目前，频段范围2.4～2.4835GHz属于国内免许可的工业、科学和医学开放频段，可用于Wi-Fi、蓝牙设备、点对点或点对多点通信系统。

3）优势及问题

使用这个频段需要申请授权。此频段各类无线设备较多，非常容易互相干扰。

4.5.8GHz频段资源

1）频段政策

原信产部2002年发布了《关于使用5.8GHz频段频率事宜的通知》，对5725～5850MHz频段进行了规范说明。

2）使用情况

目前，无线鼠标、无线路由器和数字无绳电话使用5.8GHz频段，国内部分地区LTE-U设备使用该频段进行宽带数据传输。

3）优势及问题

5.8GHz频段为开放频段，因此使用该频段比较容易。在没有其他频段可用的情况下，申请使用5.8GHz频段无疑是一种理想的选择。但是，5.8GHz频段性能存在一些不足，如遮挡损耗大、传输带宽较小等。

3.3.2　主要近距离无线通信系统

针对微功率无线通信低功耗、低成本、短距离、低速率的特点，并根据通信技术的发展，各标准化组织如IEEE、IEC、互联网工程任务组（Internet Engineering Tasko Force，IETF）、欧洲标准化委员会（Comité Européen de Normalisation，CEN）、欧洲电信标准协会（European Tele communications Standard Institute，ETSI）等都制定了标准族，以规范微功率无线通信技术。同时，ZigBee联盟、HART通信基金会等有影响力的企业联盟也进行了标准的制定[6]。

1.IEEE 802.15.4标准

该标准描述了低成本、低功耗、短距离的通信方式。它支持点对点和星形拓扑结构及不同的传输速率，支持冲突避免和选择性分配保证时隙，以保证传输的可靠性，并支持能量监测和链路质量监测。IEEE 802.15.4标准由IEEE 802.15.4标准任务组4制定，自2003年发布起至今，经过两次修订和数次修正，目前共支持13个相互独立的物理层和12种不同的调制方式。目前IEEE 802.15.4标准任务组4正在进行两个标准的制定，分别是：IEEE 802.15.4j，将扩展新的物理层，以支持医疗体域网（Medical Body Area Network，MBAN）的服务，新物理层将工作在2360～2400MHz频段；IEEE 802.15.4k，为低能耗关键基础设施监视网络制定物理层规格。

2.Wi-Fi系统

1）Wi-Fi背景介绍

Wi-Fi是一种商业认证，也是一种短距离无线通信技术。与蓝牙相比，它的传输带宽更大、传输距离更远，可应用于网络媒体、掌上设备、客运列车等领域。

2）Wi-Fi技术原理

直接序列扩频技术是802.11b所采取的主要调制技术。在发送端用高码率的扩频码序列扩展信号的频谱，在接收端用相同的扩频码序列将信号解扩，将信号还原到原始状态。

多输入多输出（Multiple Input Multiple Output，MIMO）技术是802.11n和802.11ac采用的关键技术。MIMO使用两根或两根以上的发射天线，以及两根或两根以上的接收天线，充分利用无线信道的多径，借助在同样的频率和同样的时隙发送多个数据流的方式，扩大频谱容量。

3）Wi-Fi技术特点

目前，使用较为广泛的是802.11n和802.11ac，未来还将使用802.11ax。通过引入MIMO技术，Wi-Fi可以支持更高的数据传输速率；802.11n的物理层技术使Wi-Fi功能更加强大，传输距离更远，并且802.11n在功耗和管理方面进行了重大创新，使Wi-Fi功耗更低。

3.ZigBee系统

1）ZigBee背景介绍

ZigBee与蓝牙类似，是一种新兴的短距离无线通信技术。该技术可用于传感控制应用，还可应用于小范围的基于无线通信的控制和自动化等领域。

2）ZigBee技术原理

ZigBee是一个由若干个无线数传模块组成的无线数传网络平台，数传模块类似移动网络基站，在整个网络范围内，ZigBee网络数传模块之间都可以相互通信，通信距离支持无限扩展。

3）ZigBee技术特点

ZigBee是一种价格便宜、功耗低、可自组网的近距离无线通信技术，并且具有安全、可靠的特点。

4.LoRa系统

1）LoRa背景介绍

LoRa是由Semtech公司创建的基于1GHz以下频段的超长距离、低功耗数据传输技术标准。该技术提升了物理层硬件的性能，改善了接收灵敏度，实现了低功耗和远距离的统一。

2）LoRa技术原理

LoRa的扩频调制采用宽带线性调频脉冲，在进行信息编码时在一定时间内频率会增大或减小。该调制方式主要有两个优点：大幅提高接收灵敏度和收发器对频率误差的健壮性。

LoRa与其他直接序列扩频技术（如CDMA、Wi-Fi系统）有一定区别，主要体现在以下几个方面。

（1）LoRa使用更高阶的扩频因子，以获得更高的处理增益，有点像GPS技术。

（2）容易同步，不需要定期额外地收发信标帧同步。

（3）LoRa对频率偏移不敏感，一般±30ppm晶体就可以满足绝大部分应用。

3）LoRa技术特点

（1）LoRa可以在同样的功耗条件下比其他无线方式传输得更远，传输距离在城镇可达2～5km，在郊区可达15km。

（2）LoRa工作在ISM频段，包括433MHz频段、868MHz频段、915MHz频段等。

（3）LoRa容量很高，一个LoRa网关可以连接数万个LoRa节点，并且具有可扩展性。

5.NB-IoT系统

1）NB-IoT背景介绍

NB-IoT是由华为主导的NB-CIoT和爱立信等主导的NB-LTE融合的技术标准，技术需求来源于低功耗广域网技术，是IoT领域的新兴技术。其典型应用和业务需求如表3-5所示。

2）NB-IoT技术原理

NB-IoT上下行均支持180kHz的射频带宽，终端单天线；子载波宽度为15kHz；每个无线帧10ms；引入重复传输机制，最大重复次数为2048次；简化了基带处理的复杂度，终端芯片工作电流减小，空口信令和协议栈得到简化。

3）NB-IoT技术特点

（1）广覆盖。在同样的频段下，NB-IoT比现有的网络增益20dB，相当于覆盖面积扩大100倍。

（2）大连接。NB-IoT一个扇区能够支持10万个连接。

（3）低功耗。NB-IoT终端模块的电池寿命可长达10年。

（4）低成本。终端模组成本仅几美元。

3.3.3　应用场景分析

1.Wi-Fi主要应用于高带宽场景，但安全性较低

因为Wi-Fi使用的频段不需要任何电信运营执照，因此WLAN的无线设备可以提供费用低廉、速率较高的无线空中接口。但是，Wi-Fi会带来一些安全问题，如无线扫描、欺骗、拒绝服务（Denial of Service，DoS）、破解等。

2.ZigBee主要应用于简单、低成本场景

（1）智能家居。通过ZigBee可以把家里的各种电器设备联系起来，用户在任何地方都能了解家里的情况。

（2）智能路灯。通过ZigBee可以实现大规模路灯的远程控制，调节路灯的亮灭、明暗，并在路灯需要维修时上报路灯位置。

（3）医疗监护。在病人身上安装传感器，通过ZigBee把病人的血压、体温等数据上传到监测中心，对病人的身体状况进行监测。

3.LoRa主要应用于大连接、深度覆盖等复杂场景

LoRa技术适用于要求功耗低、距离远、大连接及定位跟踪等的物联网应用，如智能抄表、智慧农业、智能交通、智慧城市等领域。

（1）智能抄表。配电箱中安装数据采集设备，将用电量传递给LoRa模块，再由网关把数据传递给数据中心，可以实现智能化管理。

（2）智慧农业。LoRa的定位功能可以用于家畜跟踪，传感器用于监视温度、湿度、风速，可以有效提高农作物产量。

（3）智能交通。在汽车上使用地理位置定位功能可以用于车辆跟踪和事故通知，在停车场通过LoRa传感器可以管理车辆，监控车位使用情况。