【導(dǎo)讀】物聯(lián)網(wǎng)，萬(wàn)物互聯(lián)。然而，設(shè)備本身一般通過(guò)無(wú)線方式連接到物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。這種無(wú)線連接是系統(tǒng)中極為重要或最為薄弱的鏈路。因此，選擇一種能夠匹配設(shè)備及其周邊環(huán)境的無(wú)線技術(shù)很重要。本文介紹了最有可能為新設(shè)計(jì)采用的幾種無(wú)線候選技術(shù)。
物聯(lián)網(wǎng)，萬(wàn)物互聯(lián)。在這個(gè)時(shí)代下，越來(lái)越多的物體將被連接到互聯(lián)網(wǎng)，并最終實(shí)現(xiàn)到主控端/云端的連接。這些連接，我們可采用多種通信鏈路予以實(shí)現(xiàn)。
然而，設(shè)備本身一般通過(guò)無(wú)線方式連接到物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。這種無(wú)線連接是系統(tǒng)中極為重要或最為薄弱的鏈路。因此，選擇一種能夠匹配設(shè)備及其周邊環(huán)境的無(wú)線技術(shù)很重要。本文介紹了最有可能為新設(shè)計(jì)采用的幾種無(wú)線候選技術(shù)。
設(shè)備通過(guò)無(wú)線方式鏈接到網(wǎng)關(guān)是一種典型的物聯(lián)網(wǎng)連接場(chǎng)景(圖)。網(wǎng)關(guān)是通過(guò)公用寬帶電纜或DSL調(diào)制解調(diào)器連接互聯(lián)網(wǎng)的接口，然后再通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)提供商連接到互聯(lián)網(wǎng)。在另外一種被稱(chēng)為機(jī)到機(jī)(M2M)的應(yīng)用場(chǎng)景中，設(shè)備連接會(huì)經(jīng)過(guò)一家蜂窩運(yùn)營(yíng)商，然后再到另一家運(yùn)營(yíng)商，或直接到互聯(lián)網(wǎng)。
圖：針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)(a)和M2M(b)應(yīng)用的典型無(wú)線連接場(chǎng)景
在選擇無(wú)線技術(shù)時(shí)必須詳細(xì)考察許多設(shè)計(jì)因素：
• 設(shè)備的數(shù)據(jù)速率：視頻流，測(cè)量每分鐘的溫度，或之間的其他參數(shù)。
• 到網(wǎng)關(guān)的范圍或距離：房間內(nèi)幾英寸的距離，或農(nóng)村地區(qū)超過(guò)1英里的范圍。
• 環(huán)境：工廠中的危險(xiǎn)環(huán)境，暴露在天氣中的室外環(huán)境，來(lái)自電子設(shè)備的噪聲或電磁干擾等。
• 需要加密或認(rèn)證：對(duì)數(shù)據(jù)安全性有什么要求？
• 功耗：電池壽命，能效，可能需要連接交流電。
• 容量：聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的數(shù)量。
• 服務(wù)質(zhì)量和可靠性。
• 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌盒切危W(wǎng)狀，或其它拓?fù)洹?/div>
• 單工或雙工：?jiǎn)蜗蜻€是雙向通信。
• 合適和可用的頻譜：許可還是免許可。
• 可用的IC、模塊和設(shè)備。
• 成本：設(shè)計(jì)、制造或互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)費(fèi)用。
• 開(kāi)發(fā)平臺(tái)：需要操作系統(tǒng)嗎？需要哪些其它軟件？
• 互聯(lián)網(wǎng)接入：蜂窩、數(shù)字用戶線路(DSL)、電纜、衛(wèi)星。
• 可用標(biāo)準(zhǔn)的許可條件。
2G/3G蜂窩
一般被稱(chēng)為機(jī)到機(jī)(M2M)的許多使用案例都類(lèi)似于物聯(lián)網(wǎng)。多家供應(yīng)商提供蜂窩電話模塊用于嵌入到其它產(chǎn)品，而大多數(shù)主要的蜂窩運(yùn)營(yíng)商都在標(biāo)準(zhǔn)許可頻譜上提供M2M連接服務(wù)。雖然像GSM/GPRS/EDGE等2G技術(shù)很流行，但一些運(yùn)營(yíng)商已經(jīng)有計(jì)劃逐步淘汰2G業(yè)務(wù)。
然而，大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)仍然支持諸如WCDMA和CDMA2000等3G技術(shù)，其數(shù)據(jù)速率高達(dá)每秒幾兆比特。范圍是指到蜂窩站的距離，可以長(zhǎng)達(dá)幾公里。蜂窩連接顯然是一種選擇，但它比后文介紹的其它方案更昂貴些。
802.15.4
802.15.4以短距離、低中數(shù)據(jù)速率和低功耗用例為目標(biāo)，是后文提到的幾種其它標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)。它的主要工作頻譜是2.4GHz工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療(ISM)免許可頻段，有時(shí)候也用到902MHz至928MHz和868MHz頻段。
802.15.4標(biāo)準(zhǔn)為PHY和MAC網(wǎng)絡(luò)層提供基于數(shù)據(jù)包的協(xié)議。其它標(biāo)準(zhǔn)都是以此為基礎(chǔ)增加更多的層，從而提供增強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)功能和性能。
6LoWPAN地址節(jié)點(diǎn)
國(guó)際互聯(lián)網(wǎng)工程任務(wù)組(IETF)的6LoWPAN是基于低功耗無(wú)線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)的互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議第6版(IPv6)的簡(jiǎn)稱(chēng)。
這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)最初的目標(biāo)是802.15.4，后來(lái)也被Bluetooth Smart和低功耗HaLow Wi-Fi所采用。具體來(lái)說(shuō)，6LoWPAN定義了使用封裝和頭部壓縮技術(shù)將IPv6數(shù)據(jù)包適配進(jìn)其它協(xié)議幀的方式。
藍(lán)牙
也許使用最廣泛的短距離無(wú)線技術(shù)是工作在2.4GHz ISM頻段的藍(lán)牙(BT)。幾種不同的版本提供多種不同的數(shù)據(jù)速率、功率電平和范圍。其基本的工作原理是采用不同調(diào)制方法的跳頻擴(kuò)展頻譜(FHSS)技術(shù)。
最新版本的藍(lán)牙是Bluetooth Smart或版本4.1，也稱(chēng)為低功耗藍(lán)牙(BLE)。這個(gè)配置使用縮短了的數(shù)據(jù)包，最大速率是1Mb/s，采用GFSK調(diào)制。它的最大好處是優(yōu)異的低功耗特性。發(fā)送功率是10mW，它的距離可達(dá)100米。針對(duì)不同的用途有多種軟件配置文件，而其互操作性認(rèn)證可有效做到完全兼容。
LoRa
LoRa(長(zhǎng)距離)是由Semtech公司開(kāi)發(fā)的一種技術(shù)，典型工作頻率在美國(guó)是915MHz，在歐洲是868MHz，在亞洲是433MHz。LoRa的物理層(PHY)使用了一種獨(dú)特形式的帶前向糾錯(cuò)(FEC)的調(diào)頻啁啾擴(kuò)頻技術(shù)。這種擴(kuò)頻調(diào)制允許多個(gè)無(wú)線電設(shè)備使用相同的頻段，只要每臺(tái)設(shè)備采用不同的啁啾和數(shù)據(jù)速率就可以了。其典型范圍是2km至5km，最長(zhǎng)距離可達(dá)15km，具體取決于所處的位置和天線特性。
LTE Cat 0/1
LTE是長(zhǎng)期演進(jìn)的縮寫(xiě)，是目前第4代蜂窩技術(shù)。
LTE Cat 0和Cat 1是LTE的功能簡(jiǎn)化版本，是為了匹配M2M的低功耗低速率要求而專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的。M2M應(yīng)用也被稱(chēng)作機(jī)器類(lèi)通信(MTC)，使用許可頻譜中的現(xiàn)有蜂窩網(wǎng)絡(luò)，而不是短距離的無(wú)線和互聯(lián)網(wǎng)。
對(duì)大多數(shù)基本的監(jiān)視和控制應(yīng)用來(lái)說(shuō)，標(biāo)準(zhǔn)的LTE網(wǎng)絡(luò)太浪費(fèi)了。LTE Cat 0和Cat 1是簡(jiǎn)化版本，可以為最大數(shù)據(jù)速率分別為1Mb/s和10Mb/s的M2M應(yīng)用提供合適的解決方案。Cat 0和Cat 1使用現(xiàn)有的LTE帶寬和正交頻分多址(OFDMA)調(diào)制技術(shù)。這種長(zhǎng)距離解決方案可以支持?jǐn)?shù)公里的范圍。
窄帶物聯(lián)網(wǎng)(NB-IoT)
將LTE用于物聯(lián)網(wǎng)的一個(gè)相對(duì)較新的變體是窄帶物聯(lián)網(wǎng)。與使用標(biāo)準(zhǔn)LTE的全部10MHz或20MHz帶寬不同，窄帶物聯(lián)網(wǎng)使用包含12個(gè)15kHz LTE子載波的180kHz寬的資源塊。數(shù)據(jù)速率在100kb/s到1Mb/s范圍之內(nèi)。
這種更加簡(jiǎn)化的標(biāo)準(zhǔn)可以為聯(lián)網(wǎng)設(shè)備提供很低的功耗。此外，它可以作為一種軟件疊加被部署進(jìn)任何LTE網(wǎng)絡(luò)。窄帶物聯(lián)網(wǎng)的資源塊能夠很好地適配進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)LTE信道或保護(hù)帶。當(dāng)運(yùn)營(yíng)商重新劃分它們較早的2G頻譜時(shí)，它也能適配進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)的GSM信道。調(diào)制采用OFDMA下行鏈路和SC-FDMA上行鏈路。
SIGFOX
SIGFOX既是一種無(wú)線技術(shù)，也是一種網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。SIGFOX工作在868MHz和902MHz的ISM頻段，但消耗很窄的帶寬或功耗。
SIGFOX無(wú)線電設(shè)備采用了一種被稱(chēng)為超窄帶(UNB)調(diào)制的技術(shù)，只是偶爾以低數(shù)據(jù)速率傳送短消息。消息最長(zhǎng)是12個(gè)字節(jié)，一個(gè)節(jié)點(diǎn)每天可以傳送的消息數(shù)量最多是140條。由于是窄帶寬和短消息，因此除了其162dB的鏈路預(yù)算外，它還可以達(dá)到數(shù)公里的長(zhǎng)傳輸距離。
Weightless
Weightless是以物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用為目標(biāo)的一系列開(kāi)放無(wú)線技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。它有三種不同的版本，分別對(duì)應(yīng)LPWAN市場(chǎng)中的不同細(xì)分領(lǐng)域。
最簡(jiǎn)單的版本是用于低成本應(yīng)用的Weightless-N。這個(gè)版本的目標(biāo)是單工或單向用途，如傳感器監(jiān)視。它工作在不到1Gb的免許可ISM頻段。調(diào)制采用的是使用跳頻技術(shù)的差分BPSK，可最大程度地減少干擾。具有完整簽權(quán)功能的128位AES加密是這種技術(shù)的一個(gè)關(guān)鍵特性。由于是低數(shù)據(jù)速率和窄帶寬通道，傳輸距離可達(dá)5km。
無(wú)線技術(shù)一覽表
如果需要更高性能的雙向通信，Weightless-P也許是最好的選擇。它同時(shí)使用了頻分多址(FDMA)和時(shí)分多址(TDMA)技術(shù)，可管理訪問(wèn)多個(gè)12.5kHz寬的信道。這種技術(shù)使用GMSK和交錯(cuò)QPSK調(diào)制，數(shù)據(jù)速率范圍可從低速的200b/s一直到100kb/s。典型的最大傳輸距離約為2km。在安全方面支持AES-128/256加密和簽權(quán)。
第三個(gè)版本是Weightless-W，旨在工作在電視的空白頻段。空白頻段是以前在470MHz至790MHz范圍內(nèi)被電視臺(tái)使用的那些6MHz寬信道。它可以達(dá)到1kb/s至10Mb/s的數(shù)據(jù)速率，具體取決于鏈路預(yù)算。在非視距條件下最遠(yuǎn)傳輸距離可達(dá)5km以上。
Wi-Fi
Wi-Fi被廣泛用于許多物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用案例，最常見(jiàn)的是作為從網(wǎng)關(guān)到連接互聯(lián)網(wǎng)的路由器的鏈路。然而，它也被用于要求高速和中距離的主要無(wú)線鏈路。
大多數(shù)Wi-Fi版本工作在2.4GHz免許可頻段，傳輸距離長(zhǎng)達(dá)100米，具體取決于應(yīng)用環(huán)境。流行的802.11n速度可達(dá)300Mb/s，而更新的、工作在5GHz ISM頻段的802.11ac，速度甚至可以超過(guò)1.3Gb/s。
一種被稱(chēng)為HaLow的適合物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的新版Wi-Fi即將推出。這個(gè)版本的代號(hào)是802.11ah，在美國(guó)使用902MHz至928MHz的免許可頻段，其它國(guó)家使用1GHz以下的類(lèi)似頻段。雖然大多數(shù)Wi-Fi設(shè)備在理想條件下最大只能達(dá)到100米的覆蓋范圍，但HaLow在使用合適天線的情況下可以遠(yuǎn)達(dá)1km。
802.11ah的調(diào)制技術(shù)是OFDM，它在1MHz信道中使用24個(gè)子載波，在更大帶寬的信道中使用52個(gè)子載波。它可以是BPSK、QPSK或QAM，因此可以提供寬范圍的數(shù)據(jù)速率。在大多數(shù)情況下100kb/s到數(shù)Mb/s的速率足夠用了——真正的目標(biāo)是低功耗。Wi-Fi聯(lián)盟透露，它將在2018年前完成802.11ah的測(cè)試和認(rèn)證計(jì)劃。
針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的另外一種新的Wi-Fi標(biāo)準(zhǔn)是802.11af。它旨在使用從54MHz到698MHz范圍內(nèi)的電視空白頻段或未使用的電視頻道。這些頻道很適合長(zhǎng)距離和非視距傳輸。調(diào)制技術(shù)是采用BPSK、QPSK或QAM的OFDM。每個(gè)6MHz信道的最大數(shù)據(jù)速率大約為24Mb/s，不過(guò)在更低的VHF電視頻段有望實(shí)現(xiàn)更長(zhǎng)的距離。
WirelessHART
這是得到廣泛使用的高速可尋址遠(yuǎn)程傳感器(HART)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的無(wú)線版本，主要用于過(guò)程監(jiān)控、傳感器網(wǎng)絡(luò)、樓宇自動(dòng)化和交通運(yùn)輸領(lǐng)域。該技術(shù)基于流行的IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，代號(hào)是802.15.4e。
WirelessHART在基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)之上增加了一個(gè)時(shí)間同步網(wǎng)格協(xié)議。除了網(wǎng)格拓?fù)渫猓材懿捎眯切闻渲谩irelessHART使用TDMA和時(shí)隙跳信道(TSCH)技術(shù)，最多可訪問(wèn)個(gè)節(jié)點(diǎn)。
ZigBee
ZigBee是物聯(lián)網(wǎng)的理想選擇之一。
雖然ZigBee一般工作在2.4GHz ISM頻段，但它也可以在902MHz到928MHz和868MHz頻段中使用。在2.4GHz頻段中數(shù)據(jù)速率是250kb/s。它可以用在點(diǎn)到點(diǎn)、星形和網(wǎng)格配置中，支持多達(dá)216個(gè)節(jié)點(diǎn)。與其它技術(shù)一樣，安全性是通過(guò)AES-128加密來(lái)保證的。ZigBee的一個(gè)主要優(yōu)勢(shì)是有預(yù)先開(kāi)發(fā)好的軟件應(yīng)用配置文件供具體應(yīng)用(包括物聯(lián)網(wǎng))使用。最終產(chǎn)品必須得到許可。
Z-Wave
Z-Wave是一種單一來(lái)源的私有無(wú)線技術(shù)。工作在908.42MHz的ISM頻段。它使用高效的GFSK，可實(shí)現(xiàn)9600b/s或40kb/s的數(shù)據(jù)速率；在某些應(yīng)用中甚至可達(dá)100kb/s。典型的功率電平是1mW(0dBm)，最大覆蓋范圍約30米，取決于具體應(yīng)用環(huán)境。Z-Wave可以用于點(diǎn)到點(diǎn)鏈路或節(jié)點(diǎn)數(shù)最多232個(gè)的星形配置中。在安全性方面，它采用AES-128加密措施。這種技術(shù)必須獲得許可才能在商用產(chǎn)品中使用。
從文中這張表，我們可以快速地對(duì)文中提到的這12種技術(shù)進(jìn)行比較。同時(shí)，物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)包羅萬(wàn)象，涉及工業(yè)、交通、農(nóng)業(yè)和醫(yī)療等各行各業(yè)，應(yīng)用的需求也各不相同。因此，對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)這樣一個(gè)長(zhǎng)尾市場(chǎng)，我們可以肯定，任何標(biāo)準(zhǔn)都不會(huì)占據(jù)主導(dǎo)地位。但是，我們可以針對(duì)具體應(yīng)用很方便地找到一種最恰當(dāng)?shù)募夹g(shù)來(lái)與之對(duì)應(yīng)。
文章來(lái)源于電子技術(shù)設(shè)計(jì)。
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