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IOT之通信系列杂谈

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万物互联的时代正以极其迅速的脚步走进我们的生活,据估计2020年大约有500亿台设备连接到互联网。而实现万物互联的基础之一在于安全、可靠的数据传输。随着5G技术方案逐渐落地,世界各地巨头支持的NB-IoT(窄带蜂窝物联网)首当其冲无疑是物联网无比渴望的一个强有力的蜂窝基础网络,市场前景广阔,应用场景丰富。NB-IoT或将成为最热的创客发展方向。

IOT之通信系列(一):2G退网的那些事

一、2G退网频谱能给5G用吗?
答案是可以的。
首先,频谱是5G建设的资源,且不可再生。
其次,5G在目前3GPP定义的频率范围分为FR1和FR2。
FR1:450 MHz - 6000 MHz;FR1低于6GHz,即sub 6GHz,这部分是5G主流应用范围。
FR2:24250 MHz - 52600 MHz;FR2是高频,即毫米波(严格来说大于30GHz才叫毫米波),穿透能力较弱,但带宽十分充沛,且频谱干净,未来会有较为广泛的应用。

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6GHz以下频段,由于频率低,覆盖能力强,穿透能力好,在广覆盖方面优势明显。但目前很多频段已经被占用。6GHz以下频段中,3.5GHz是5G应用最广泛。毫米波频段由于频段干净,信号带宽大,所以有很高的通信速率,且回传性能良好。
未来5G通信不会单一使用一种频段,根据不同的应用场景,选择不同的频段,发挥各自的优势。另外,我们已经知道频谱是不可再生资源,而2G网络占用了一些相对优质的频段:比如900MHz和1800MHz。释放这些频谱资源就可以给到5G使用,可以创造更高的价值。所以,2G退网频谱能给5G用。

二、2G为何迟早要退?

在近日的“两会”上,提出了“关于有序推动落后产能2G退网”的提案。可见对于2G退网这件事还是比较困难的,我国各大运营商要实现2G网络退网还要走很长的路。本文只讨论2G为何迟早要退。
1.减少运营及维护成本。在经历了数代技术迭代后,作为运营了超长时间的旧网络已经成为三大运营商沉重的负担。2G网络退网淘汰了大量的老旧设备,降低了维护费用,节约了成本。关闭部分服务,这样不仅能够缩减开支,也能为5G网未来全面覆盖做好准备。所以说,用户日趋减少,维护成本高。退出2G/3G网络服务是早晚的事儿。
2.优质的网络频段再利用。退网后腾出的900M和1800M黄金频谱可以用于4G和5G网络重耕,提高了频谱利用率,降低了4G和5G网络建设的成本,间接的推动了4G和5G网络建设的进度。
3.减少高额专利费用。在2G/3G/4G网络基础上,我们需要每年给高通缴纳很多的专利费用,尤其是3G网络,高通的CDMA技术处于全球垄断地位,凭借专利垄断,每年的专利费几乎处于躺着收钱的模式,其中2G专利份额高达90%,3G专利高达27%,4G的专利也达到了16%,5G的专利份额仅仅8%,因此三大运营商每年都需要给高通缴纳高昂的专利费。
4.增加收入。从KPI指标来看,2G网络的关闭不仅可以降低运维成本,还可以促进用户向4G网络迁移,带动流量的使用,进而增加流量业务的收入,可以说是一举两得。
针对第3点,必须批判一下联想。
事情还是在于2018年的那次87次会议投票事件。5G的所有技术标准由3GPP通过会议讨论和投票决定,3GPP是一个国际组织,成员包括通信行业绝大部分的公司。这次会议,是关于信道编码的选择,这也是5G的关键技术细节。具体有哪些可供5G选择的编码方案呢?只有3种,分别是LDPC、Polar和Turbo。
LDPC技术:代表是包括高通在内的一些美国企业。
Polar技术:代表是包括华为在内的一些中国企业。
Turbo技术:代表是包括法国在内的一些欧洲国家的企业。
最终投票结果为:
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Turbo被最先排除,剩下的LDPC和Polar PK,具体细节一定非常精彩,不得而知,我们仅可以关注下结果和事实:
结果:控制信道用Polar(联想投了Polar),数据信道用LDPC(联想投了LDPC)。
细节是:87次会议中控制码华为大比分胜出(联想投了华为),数据长码高通大比分胜出(联想投了高通),数据短码一票之差高通胜出(联想投了高通三票,弃权一票)。美帝良心想的支持下,高通又是5G最大赢家。
IOT之通信系列(二):LoRa和LoRaWAN的简单对比
定义:
LoRa:LoRa是一种低功耗远程无线通信技术。
LoRaWAN:是在LoRa物理层传输技术基础之上的以MAC层为主的一套协议标准。
所处协议层:
LoRa:属于物理层。
LoRaWAN:属于MAC层。
二者关系:
LoRaWAN是基于LoRa物理层传输技术的一种标准协议。
LoRa之上使用的协议包括:LoRaWAN协议和LoRa私有协议。
PS:LoRa和LoRaWAN经常拿来做对比,通常我们实际上对比的是LoRaWAN协议和LoRa私有协议。
LoRa组网:

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适用场景:
LoRa私有协议:一般应用的项目规模比较小,终端数量一千个以下,可以用私有协议,可以满足基本需求,另外成本也比较低,也需要单独配Lora网关。 
LoRaWAN协议:一般应用的项目规模较大,设备数量在几千到几万个,同时对安全性有很高的要求,并且需要兼容其他LoRaWAN产品的项目,就需要使用LoRaWAN。如果使用LoRa私有协议需要投入大量的资源,实现起来也比较困难,兼容性也比较差,所以选择LoRaWAN来设计整个项目比较理想。
IOT之通信系列(三):TCP/IP 和HTTP、MQTT
HTTP、MQTT是基于TCP/IP的应用协议。
TCP/IP不是一个协议,而是一个协议族的统称。目的是把各个机器设备连接到一起进行通信。
与计算机网络体系结构分层对比:

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TCP属于传输层,IP属于网络层。HTTP、HTTPS、FTP、MQTT等属于应用层(为了便于理解下面可能比较多的用HTTP来举例,因为比较成熟,容易理解)。由上可知,HTTP、HTTPS、FTP、MQTT等应用层协议是建立在 TCP 协议之上的。实际上,只有TCP协议,机器之间也可以通信。但是讲的都是01这种不容易理解,不利于开发,门槛较高。那么就有了专门的协议。比如:

①www协会就定制一个专门用来浏览器访问的协议规则,就叫做HTTP。浏览器开发商只要遵循这个标准。那么就可以直接实现。

②IBM公司开发了为硬件性能低下的远程设备以及网络状况糟糕的情况下而设计的发布/订阅型消息协议,叫做MQTT。
③也可以自己来在TCP的基础上开发协议(对性能要求较高的时)。
针对不同应用场景还有不同的应用协议。

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Socket是什么呢?
Socket是应用层与TCP/IP协议族通信的中间软件抽象层,它是一组接口。在设计模式中,Socket其实就是一个门面模式,它把复杂的TCP/IP协议族隐藏在Socket接口后面,对用户来说,一组简单的接口就是全部,让Socket去组织数据,以符合指定的协议。简单理解:socket就是一个肯德基的服务员,凭码取餐。
你必须符合他的规则(有取餐码)才能取餐操作(起始码)。socket通过取餐码来到后厨取出相应的食物给你(从系统获取到数据,并发送给你)(数据域),拿了食物之后取餐码作废(结束码)。
协议层和应用层如何通信?
拿TCP和HTTP举例:TCP和TCP之间是通过IP识别(一个机器只有一个IP);Socket和HTTP之间通过端口号识别(一个IP对应多个端口号:HTTP默认端口是80;HTTPS默认端口443等;也可以根据需要改掉端口号,只要双方协商一致即可)。识别之后就可以通过协议来进行通信了。
PS:一个IP 很少对应两个HTTP,如果一个IP对应两个HTTP,那么就通过两个Socket来识别,应用的端口号不变。
HTTP与MQTT的差别

HTTP特点:

1.支持客户端/服务器模式
2.简单快速:由于HTTP协议简单,使得HTTP服务程序规模小而且通信速度很快。
3.灵活:HTTP允许传输任意类型的数据对象。
4.无连接:限制每次连接只能处理一个请求,服务器处理完客户端的请求并收到客户端的应答后即断开连接,采用这种方式可以节省时间。HTTP1.1后默认采用keepline长连接,服务器要等一段时间后才能断开连接,以保证连接特性。但是你始终都要认为HTTP请求在结束后连接就会关闭,这是HTTP的特性。与下层实现在结束后是否关闭连接都不会改变这个特性,长连接可以理解为下层实现对上层透明。
5.无状态:无状态是指协议对事务处理没有记忆能力,意味着如果后续处理需要前面的信息,则必须被重传,这可能导致每次连接的数据量增大,另一方面不需要前面信息时,它的应答就较快。
MQTT特点:
1.使用发布/订阅消息模式,提供一对多的消息发布,解除应用程序耦合。
2.二进制形式编码,小型化传输,协议开销较小(固定长度的头部是2字节),极大降低网络开销。
3.三种消息发布服务质量:至多一次、至少一次、只有一次。
4.采用心跳机制,通过间断性的发送报文,来维持客户端和服务端的心跳长连接,以减少电量的消耗,提升系统源利用率。
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PS:发布/订阅模型为客户提供了彼此独立的存在,增强了整个系统的可靠性。当一个客户端出现故障时,整个系统可以继续正常工作。

主要讨论物联网场景下的差别(抛开场景说优劣都是耍流氓):
MQTT以数据为中心,而HTTP是以文档为中心的。
HTTP是用于客户端 – 服务器计算的请求 – 响应协议,并不总是针对移动设备进行优化。
MQTT是轻量级(MQTT将数据作为字节数组传输)和发布/订阅模型,这使其非常适合资源受限的设备并有助于节省电池。
绝大多数的web开发都是构建在HTTP之上的web应用。在物联网的世界里面,HTTP协议也有在用。有两种形式,一种是设备自身硬件资源比较丰富支持直接从设备端通过HTTP上传;另一种是设备不具备网口,需要通过网关上传也是采用HTTP。
结论:MQTT协议的响应时间,吞吐量(MQTT比HTTP快93倍),更低的电池和带宽使用率非常适合物联网场景。在间歇性连接的情况下,它也是完美的。HTTP是优秀且可扩展的。但是物联网场景下,MQTT更适合。
PS:实际应用中还是有大量的嵌入式设备是在用HTTP的(虽纯文本对比二进制而言没多大优势,受制于历史遗留和使用习惯等HTTP协议都是默认最佳选择,安全可控。在资源充裕的情况下,选择HTTP也在情理之中)。设备资源有限的时候就必然要选用MQTT。另外在网关这种资源充裕的设备的使用中,也只有在非常巨量的设备接入时,二者的区别才会体现出来。
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