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技術普及帖:12種無線技術 誰將成為物聯網的主旋律
http://www.gcppfm.live 物聯中國
日期:2016-07-27 17:19:51來源:物聯中國 點擊:1487
核心提示:物聯網,萬物互聯。在這個時代下,越來越多的物體將被連接到互聯網,并最終實現到主控端 云端的連接。這些連接,我們可采用多種通信鏈路予

       物聯網,萬物互聯。在這個時代下,越來越多的物體將被連接到互聯網,并最終實現到主控端/云端的連接。這些連接,我們可采用多種通信鏈路予以實現。

       然而,設備本身一般通過無線方式連接到物聯網系統。這種無線連接是系統中極為重要或最為薄弱的鏈路。因此,選擇一種能夠匹配設備及其周邊環境的無線技術很重要。本文介紹了最有可能為新設計采用的幾種無線候選技術。

       設備通過無線方式鏈接到網關是一種典型的物聯網連接場景(圖)。網關是通過公用寬帶電纜或DSL調制解調器連接互聯網的接口,然后再通過互聯網服務提供商連 接到互聯網。在另外一種被稱為機到機(M2M)的應用場景中,設備連接會經過一家蜂窩運營商,然后再到另一家運營商,或直接到互聯網。

12種無線技術 誰將成為物聯網的主旋律?

       圖:針對物聯網(a)和M2M(b)應用的典型無線連接場景

       在選擇無線技術時必須詳細考察許多設計因素:

       ·設備的數據速率:視頻流,測量每分鐘的溫度,或之間的其他參數。

       ·到網關的范圍或距離:房間內幾英寸的距離,或農村地區超過1英里的范圍。

       · 環境:工廠中的危險環境,暴露在天氣中的室外環境,來自電子設備的噪聲或電磁干擾等。

       ·需要加密或認證:對數據安全性有什么要求?

       ·功耗:電池壽命,能效,可能需要連接交流電。

       ·容量:聯網設備的數量。

       · 服務質量和可靠性。

       · 網絡拓撲:星形,網狀,或其它拓撲。

       ·單工或雙工:單向還是雙向通信。

       ·合適和可用的頻譜:許可還是免許可。

       ·可用的IC、模塊和設備。

       · 成本:設計、制造或互聯網接入服務費用。

       · 開發平臺:需要操作系統嗎?需要哪些其它軟件?

       ·互聯網接入:蜂窩、數字用戶線路(DSL)、電纜、衛星。

       · 可用標準的許可條件。

       2G/3G蜂窩

       一般被稱為機到機(M2M)的許多使用案例都類似于物聯網。多家供應商提供蜂窩電話模塊用于嵌入到其它產品,而大多數主要的蜂窩運營商都在標準許可頻譜上提供M2M連接服務。雖然像GSM/GPRS/EDGE等2G技術很流行,但一些運營商已經有計劃逐步淘汰2G業務。

       然而,大多數網絡仍然支持諸如WCDMA和CDMA2000等3G技術,其數據速率高達每秒幾兆比特。范圍是指到蜂窩站的距離,可以長達幾公里。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、低中數據速率和低功耗用例為目標,是后文提到的幾種其它標準的基礎。它的主要工作頻譜是2.4GHz工業、科學和醫療(ISM)免許可頻段,有時候也用到902MHz至928MHz和868MHz頻段。

       802.15.4標準為PHY和MAC網絡層提供基于數據包的協議。其它標準都是以此為基礎增加更多的層,從而提供增強的網絡功能和性能。

       6LoWPAN地址節點

       國際互聯網工程任務組(IETF)的6LoWPAN是基于低功耗無線個人區域網的互聯網協議第6版(IPv6)的簡稱。

       這個標準最初的目標是802.15.4,后來也被Bluetooth Smart和低功耗HaLow Wi-Fi所采用。具體來說,6LoWPAN定義了使用封裝和頭部壓縮技術將IPv6數據包適配進其它協議幀的方式。

       藍牙

       也許使用最廣泛的短距離無線技術是工作在2.4GHz ISM頻段的藍牙(BT)。幾種不同的版本提供多種不同的數據速率、功率電平和范圍。其基本的工作原理是采用不同調制方法的跳頻擴展頻譜(FHSS)技術。

       最 新版本的藍牙是Bluetooth Smart或版本4.1,也稱為低功耗藍牙(BLE)。這個配置使用縮短了的數據包,最大速率是1Mb/s,采用GFSK調制。它的最大好處是優異的低功 耗特性。發送功率是10mW,它的距離可達100米。針對不同的用途有多種軟件配置文件,而其互操作性認證可有效做到完全兼容。

       LoRa

       LoRa(長 距離)是由Semtech公司開發的一種技術,典型工作頻率在美國是915MHz,在歐洲是868MHz,在亞洲是433MHz。LoRa的物理層 (PHY)使用了一種獨特形式的帶前向糾錯(FEC)的調頻啁啾擴頻技術。這種擴頻調制允許多個無線電設備使用相同的頻段,只要每臺設備采用不同的啁啾和 數據速率就可以了。其典型范圍是2km至5km,最長距離可達15km,具體取決于所處的位置和天線特性。

       LTE Cat 0/1

       LTE是長期演進的縮寫,是目前第4代蜂窩技術。

       LTE Cat 0和Cat 1是LTE的功能簡化版本,是為了匹配M2M的低功耗低速率要求而專門設計的。M2M應用也被稱作機器類通信(MTC),使用許可頻譜中的現有蜂窩網絡,而不是短距離的無線和互聯網。

       對 大多數基本的監視和控制應用來說,標準的LTE網絡太浪費了。LTE Cat 0和Cat 1是簡化版本,可以為最大數據速率分別為1Mb/s和10Mb/s的M2M應用提供合適的解決方案。Cat 0和Cat 1使用現有的LTE帶寬和正交頻分多址(OFDMA)調制技術。這種長距離解決方案可以支持數公里的范圍。

       窄帶物聯網(NB-IoT)

       將LTE用于物聯網的一個相對較新的變體是窄帶物聯網。與使用標準LTE的全部10MHz或20MHz帶寬不同,窄帶物聯網使用包含12個15kHz LTE子載波的180kHz寬的資源塊。數據速率在100kb/s到1Mb/s范圍之內。

       這 種更加簡化的標準可以為聯網設備提供很低的功耗。此外,它可以作為一種軟件疊加被部署進任何LTE網絡。窄帶物聯網的資源塊能夠很好地適配進標準LTE信 道或保護帶。當運營商重新劃分它們較早的2G頻譜時,它也能適配進標準的GSM信道。調制采用OFDMA下行鏈路和SC-FDMA上行鏈路。

       SIGFOX

       SIGFOX既是一種無線技術,也是一種網絡服務。SIGFOX工作在868MHz和902MHz的ISM頻段,但消耗很窄的帶寬或功耗。

       SIGFOX無線電設備采用了一種被稱為超窄帶(UNB)調制的技術,只是偶爾以低數據速率傳送短消息。消息最長是12個字節,一個節點每天可以傳送的消息數量最多是140條。由于是窄帶寬和短消息,因此除了其162dB的鏈路預算外,它還可以達到數公里的長傳輸距離。

       Weightless

       Weightless是以物聯網應用為目標的一系列開放無線技術標準。它有三種不同的版本,分別對應LPWAN市場中的不同細分領域。

       最簡單的版本是用于低成本應用的Weightless-N。這個版本的目標是單工或單向用途,如傳感器監視。它工作在不到1Gb的免許可ISM頻段。調制采 用的是使用跳頻技術的差分BPSK,可最大程度地減少干擾。具有完整簽權功能的128位AES加密是這種技術的一個關鍵特性。由于是低數據速率和窄帶寬通 道,傳輸距離可達5km。

12種無線技術 誰將成為物聯網的主旋律?

       無線技術一覽表

       如果需要更高性能的雙向通信,Weightless-P也許是最好的選擇。它同時使用了頻分多址(FDMA)和時分多址(TDMA)技術,可管理訪問多個 12.5kHz寬的信道。這種技術使用GMSK和交錯QPSK調制,數據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。

       第三個版本是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范圍內被電視臺使用的那些6MHz寬信道。它可以達到1kb/s至10Mb/s的數據速率,具體取決于鏈路預算。在非視距條件下最遠傳輸距離可達5km以上。

       Wi-Fi

       Wi-Fi被廣泛用于許多物聯網應用案例,最常見的是作為從網關到連接互聯網的路由器的鏈路。然而,它也被用于要求高速和中距離的主要無線鏈路。

       大多數Wi-Fi版本工作在2.4GHz免許可頻段,傳輸距離長達100米,具體取決于應用環境。流行的802.11n速度可達300Mb/s,而更新的、工作在5GHz ISM頻段的802.11ac,速度甚至可以超過1.3Gb/s。

       一種被稱為HaLow的適合物聯網應用的新版Wi-Fi即將推出。這個版本的代號是802.11ah,在美國使用902MHz至928MHz的免許可頻段, 其它國家使用1GHz以下的類似頻段。雖然大多數Wi-Fi設備在理想條件下最大只能達到100米的覆蓋范圍,但HaLow在使用合適天線的情況下可以遠 達1km。

       802.11ah 的調制技術是OFDM,它在1MHz信道中使用24個子載波,在更大帶寬的信道中使用52個子載波。它可以是BPSK、QPSK或QAM,因此可以提供寬 范圍的數據速率。在大多數情況下100kb/s到數Mb/s的速率足夠用了——真正的目標是低功耗。Wi-Fi聯盟透露,它將在2018年前完成 802.11ah的測試和認證計劃。

       針對物聯網應用的另外一種新的Wi-Fi標準是802.11af。它旨在使用從54MHz到698MHz范圍內的電視空白頻段或未使用的電視頻道。這些頻道 很適合長距離和非視距傳輸。調制技術是采用BPSK、QPSK或QAM的OFDM。每個6MHz信道的最大數據速率大約為24Mb/s,不過在更低的 VHF電視頻段有望實現更長的距離。

       WirelessHART

       這是得到廣泛使用的高速可尋址遠程傳感器(HART)工業網絡技術的無線版本,主要用于過程監控、傳感器網絡、樓宇自動化和交通運輸領域。該技術基于流行的IEEE 802.15.4標準,代號是802.15.4e。

       WirelessHART在基礎標準之上增加了一個時間同步網格協議。除了網格拓撲外,它也能采用星形配置。WirelessHART使用TDMA和時隙跳信道(TSCH)技術,最多可訪問個節點。

       ZigBee

       ZigBee是物聯網的理想選擇之一。

       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頻段中數據速率是250kb/s。它可以用在點到點、星形 和網格配置中,支持多達216個節點。與其它技術一樣,安全性是通過AES-128加密來保證的。ZigBee的一個主要優勢是有預先開發好的軟件應用配 置文件供具體應用(包括物聯網)使用。最終產品必須得到許可。

       Z-Wave

       Z- Wave是一種單一來源的私有無線技術。工作在908.42MHz的ISM頻段。它使用高效的GFSK,可實現9600b/s或40kb/s的數據速率; 在某些應用中甚至可達100kb/s。典型的功率電平是1mW(0dBm),最大覆蓋范圍約30米,取決于具體應用環境。Z-Wave可以用于點到點鏈路 或節點數最多232個的星形配置中。在安全性方面,它采用AES-128加密措施。這種技術必須獲得許可才能在商用產品中使用。

       從文中這張表,我們可以快速地對文中提到的這12種技術進行比較。同時,物聯網市場包羅萬象,涉及工業、交通、農業和醫療等各行各業,應用的需求也各不相 同。因此,對于物聯網這樣一個長尾市場,我們可以肯定,任何標準都不會占據主導地位。但是,我們可以針對具體應用很方便地找到一種最恰當的技術來與之對應。

出處:物聯中國
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