【鹏越 安全百科】“物联网”系列(39)——物联网常见的无线传输协议类型

在智能小区、智能家居等物联网终端普及的未来,为了保证无线传输数据的安全,无线传输协议显得尤为重要。
“物联网”概念在1999年美国麻省理工学院首次被提出,狭义的物联网指的是“物—物相连的互联网”,这里相连的主体既包括物品到物品,也包括物品到识别管理设备。
广义的物联网指的是信息空间和物理空间的融合,也就是虚拟与现实的融合,把所有的物体和事件数字化、网络化,在人与人、人与物、物与物之间实现信息交互,实现物品的自动识别,监控定位和远程管理。物联网以现有的互联网和各种专有的网为基础,传输通过感知层采集汇总的各类数据,实现数据的实时传输并保证数据安全。目前的有线和无线互联网、2G和3G网络等,都可以作为传输层的组成部分。在智能小区、智能家居等物联网终端普及的未来,为了保证无线传输数据的安全,无线传输协议显得尤为重要。

下面就来看看物联网中常见的无线传输协议类型:
RFIDRFID(RadioFrequencyIdentification),即射频识别,俗称电子标签。它是一种非接触式的自动识别技术,通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据。
RFID由标签(Tag)、解读器(Reader)和天线(Antenna)三个基本要素组成。 RFID技术的基本工作原理并不复杂,标签进入磁场后,接收解读器发出的射频信号,凭借感应电流所获得的能量发送出存储在芯片中的产品信息(Passive Tag ,无源标签或被动标签),或者主动发送某一频率的信号(Active Tag,有源标签或主动标签),解读器读取信息并解码后,送至中央信息系统进行有关数据处理。

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RFID可被广泛应用于安全防伪、工商业自动化、财产保护、物流业、车辆跟踪、停车场和高速公路的不停车收费系统等。从行业上讲,RFID将渗透到包括汽车、医药、食品、交通运输、能源、军工、动物管理以及人事管理等各个领域。
红外
红外技术也是无线通信技术的一种,可以进行无线数据的传输。红外有明显的特点:点对点的传输方式,无线,不能离得太远,要对准方向,不能穿墙与障碍物,几乎无法控制信息传输的进度。802.11物理层标准中,除了使用2.4GHz频率的射频外,还包括了红外的有关标准。IrDA1.0支持最高115.2kbps的通信速率,IrDA1.1支持到4Mbps。该技术基本上已被淘汰,被蓝牙和更新的技术代替。
ZigBee
ZigBee是一种新兴的短距离、低功耗、低速率的近距离的无线网络技术。ZigBee 的基础是IEEE802.15.4,这是IEEE无线个人区域工作组的一项标准。但IEEE802.15.4仅处理低级MAC层和物理层协议,所以ZigBee联盟对其网络层和API进行了标准化,同时联盟还负责其安全协议、应用文档和市场推广等。
ZigBee联盟成立于2001年8月,由英国Invensys、日本三菱电气、美国摩托罗拉、荷兰飞利浦半导体等公司共同组成。ZigBee与Bluetooth (蓝牙)、WiFi(无线局域网)同属于2.4GHz频段的IEEE标准网络协议,由于性能定位不同,各自的应用也不同。
ZigBee有显著的特点:超低功耗,网络容量大,数据传输可靠,时延短,安全性好,实现成本低。 在ZigBee技术中,采用对称密钥的安全机制,密钥由网络层和应用层根据实际应用需要生成,并对其进行管理、存储、传送和更新等。因此,在未来的物联网中,ZigBee技术显得尤为重要,已在美国的智能家居等物联网领域中得到广泛应用。
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蓝牙Bluetooth是1998年5月,东芝、爱立信、IBM、Intel和诺基亚共同提出的技术标准。作为一种无线数据与语音通信的开放性全球规范,蓝牙以低成本的近距离无线连接为基础,为固定与移动设备通信环境建立一个特别连接,完成数据信息的短程无线传输。其实质内容是要建立通用的无线电空中接口(Radio Air Interface)及其控制软件的公开标准,使通信和计算机进一步结合,使不同厂家生产的便携式设备在没有电线或电缆相互连接的情况下,能够在近距离范围内具有互用、互操作的性能(Interoperability)。
蓝牙以无线LANs的IEEE802.11标准技术为基础。应用了“Plonkandplay”的概念(有点类似“即插即用”),即任意一个蓝牙设备一旦搜寻到另一个蓝牙设备,马上就可以建立联系,而无需用户进行任何设置,因此可以解释成“即连即用”。
蓝牙技术有成本低,功耗低、体积小,近距离通信,安全性好的特点。 蓝牙在未来的物联网发展中将得到一定的应用,特别是应用在办公场所、家庭智能家居等环境中。
GPRS通用分组无线服务技术(General Packet Radio Service,GPRS),使用带移动性管理的分组交换模式以及无线接入技术。GPRS可说是GSM的延续。GPRS和以往连续在频道传输的方式不同,是以封包(Packet)式来传输,因此使用者所负担的费用是以其传输资料单位来计算,并非使用其整个频道,理论上较为便宜。GPRS的传输速率可提升至56甚至114Kbps。但GPRS技术不太适合智能家居使用,主要应用在电信网络。
3G第三代移动通信技术(3rd-generation,3G),是指支持高速数据传输的蜂窝移动通讯技术。3G服务能够同时传送声音及数据信息,速率一般在几百kbps以上。

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目前3G存在四种标准:CDMA2000(美国版),WCDMA(欧洲版),TD-SCDMA(中国版),WiMAX。国际电信联盟(ITU)在2000年5月确定WCDMA、CDMA2000、TD-SCDMA三大主流无线接口标准,写入3G技术指导性文件《2000年国际移动通讯计划》。2007年,WiMAX亦被接受为3G标准之一。
CDMA是CodeDivisionMultipleAccess(码分多址)的缩写,是第三代移动通信系统的技术基础。第一代移动通信系统采用频分多址(FDMA)的模拟调制方式,而这种系统的主要缺点是频谱利用率低,信令干扰话音业务。第二代移动通信系统主要采用时分多址(TDMA)的数字调制方式,提高了系统容量,并采用独立信道传送信令,使系统性能大大改善,但TDMA的系统容量仍然有限,越区切换性能仍不完善。而CDMA系统以其频率规划简单、系统容量大、频率复用系数高、抗多径能力强、通信质量好、软容量、软切换等特点显示出巨大的发展潜力。
4G4G技术又称IMT-Advanced技术。 准4G标准,是业内对TD技术向4G的最新进展的TD-LTE-Advanced称谓。对于4G中将使用的核心技术,业界并没有太大的分歧。总结起来,有正交频分复用(OFDM)技术、软件无线电、智能天线技术多输入多输出(MIMO)技术和基于IP的核心网五种。
访问控制的设定也要灵活,得考虑具体业务特点,不当的安全设置的反面后果可能会影响到员工工作的主动积极性并且增加控制成本。
由于人们研究4G通信的最初目的就是提高蜂窝电话和其他移动装置无线访问Internet的速率,因此4G通信给人印象最深刻的特征莫过于它具有更快的无线通信速度。此外,4G还有网络频谱宽、通信灵活、智能性能高、兼容性好、费用便宜等优点。
4G通信技术并非完美无缺,主要体现在以下几个方面:一是4G通信技术的技术标准难以统一。二是4G通信技术的市场推广难以实现。三是4G通信技术的配套设施难以更新。
Wi-FiWi-Fi全称为WirelessFidelity,又称IEEE802.11b标准,它最大的优点就是传输的速度较高,可以达到11Mb/s,另外它的有效距离也很长,同时也与已有的各种IEEE802.11DSSS(直接序列展频技术,DirectSequenceSpreadSpectrum)设备兼容。
IEEE802.11b无线网络规范是在IEEE802.11a网络规范基础之上发展起来的,最高带宽为11Mb/s,在信号较弱或有干扰的情况下,带宽可调整为5.5Mb/s、2Mb/s和1Mb/s。带宽的自动调整有效地保障了网络的稳定性和可靠性。Wi-Fi无线保真技术与蓝牙技术一样,属于办公室与家庭使用的短距离无线技术,使用频段是2.4GHz附近的频段,该频段目前尚属没用许可的无线频段,可以使用的标准有两个即802.11ay与802.11b,802.11g是802.11b的继承。
其主要的特性为:速度快、可靠性高。在开放区域,其通信距离可达305m。在封闭性区域其通信距离为76~122m,方便与现有的有线以太网整合,组网的成本更低。
NB-IoTNB-IoT即窄带物联网 (Narrow Band -Internet of Things),是物联网技术的一种,具有低成本、低功耗、广覆盖等特点,定位于运营商级、基于授权频谱的低速率物联网市场,拥有广阔的应用前景。NB-IoT技术包含六大主要应用场景,包括位置跟踪、环境监测、智能泊车、远程抄表、农业和畜牧业。而这些场景恰恰是现有移动通信很难的支持的场景。市场研究公司Machina预测,NB-IoT技术未来将覆盖25%的物联网连接。
NB-IoT是3GPP R13阶段LTE的一项重要增强技术,射频带宽可以低至0.18MHz。NB-IoT是NB-CIoT和NB-LTE两种标准的融合,平衡了各方利益,并适用于更广泛的部署场景。其中,华为、沃达丰、高通等公司支持NB-CIoT;爱立信、中兴、三星、英特尔、MTK等公司支持NB-LTE。NB-CIoT、NB-LTE与标准NB-IoT相比都有较大差异,终端无法平滑升级,一些非标基站甚至面临退网风险。
随着物联网技术和应用的不断发展,无线传输协议将迎来前所未有的发展,其在未来智能化系统中的应用也将会呈现爆发性的增长。了解与掌握ZigBee、蓝牙、Wi-Fi、RFID等核心技术,研制相应的借接口以及无线通信产品模块化,绝对是企业创造商机的正确手段。无线传输协议始终是物联网发展的一个关键技术,也将是未来物联网发展中的重中之重。
(来源:司南物联)
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