如何為工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)選擇最節(jié)能的通信方案？

作者：e絡(luò)盟技術(shù)團(tuán)隊

為工業(yè)應(yīng)用中的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）設(shè)備選擇通信方法時必須考慮以下幾個因素：最大吞吐量、距離范圍、部署區(qū)域的可用性以及能源消耗。本文討論了主要的通信協(xié)議及其對能源消耗的影響。

IIoT 應(yīng)用包含連接到傳感器節(jié)點的傳感器組。傳輸時間由兩個節(jié)點之間的距離、數(shù)據(jù)速率和信息大小決定，所有這些都會對能源優(yōu)化產(chǎn)生影響。事實上，數(shù)據(jù)速率越高，接收/傳輸數(shù)據(jù)所需的時間就越短，能耗也隨之降低。傳感器節(jié)點通常是電池供電的設(shè)備，其使用壽命受電池技術(shù)、設(shè)計及制造質(zhì)量等多個外部因素影響。

采用無線連接解決方案可為設(shè)備提供極低的能耗，同時保持快速傳輸大量數(shù)據(jù)的能力，無論距離遠(yuǎn)近，確保經(jīng)濟(jì)可行性。

工業(yè)應(yīng)用中使用的無線通信技術(shù)：

如下圖所示，工業(yè)應(yīng)用中的無線網(wǎng)絡(luò)通常分為三類：無線個人局域網(wǎng) (WPAN)、無線局域網(wǎng) (WLAN)及無線廣域網(wǎng) (WWAN)。

無線連接技術(shù)

WPAN 覆蓋范圍通常為大約 100米。此類設(shè)備的 BLE、ZigBee、NFC及 Thread連接通常具有低無線電傳輸能耗，并且使用的電池較小。大多數(shù)情況下，這些設(shè)備處于睡眠模式。一旦有事件發(fā)生，設(shè)備便會喚醒，并發(fā)送短消息給網(wǎng)關(guān)、PC或智能手機。典型 BLE模塊的最大/峰值功耗為 39mA或更低，而平均功耗約為9 μA。其有效功耗僅為傳統(tǒng)藍(lán)牙技術(shù)的十分之一。在低負(fù)載周期應(yīng)用中，紐扣電池可確?？煽窟\行 5-10年。

WLAN 的覆蓋范圍通?？蛇_(dá) 1000米。Wi-Fi是最常見的標(biāo)準(zhǔn)。802.11 ax是最新一代 Wi-Fi標(biāo)準(zhǔn)之一，也稱為 Wi-Fi 6。Wi-Fi 6提供更高的數(shù)據(jù)速率和容量（高達(dá) 9.6 Gbps），可在2.4 GHz和 5 GHz頻譜上運行。Wi-Fi 6還引入了一項新技術(shù)，可優(yōu)化客戶端的功耗需求。目標(biāo)喚醒時間 (TWT)允許接入點和客戶端通過協(xié)商確定接收器確切的喚醒時間，以接收發(fā)送方傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，從而減少功耗。

WWAN 的覆蓋范圍通?？蛇_(dá) 100千米。蜂窩技術(shù)（2G、3G和 4G）用于遠(yuǎn)程設(shè)備連接。目前正在部署的 5G技術(shù)保證了高帶寬和極低的延遲，這將有利于其被廣泛采用。蜂窩連接一直以來專注于覆蓋范圍和帶寬，但往往以犧牲能耗為代價。設(shè)備產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)很難快速處理，同時數(shù)據(jù)在連接設(shè)備間傳輸?shù)耐笛舆t也很高。然而，5G等新型蜂窩技術(shù)傳輸數(shù)據(jù)的速度比 4G快 10倍，有望實現(xiàn)超低延遲和更低功耗。

低功耗廣域網(wǎng) (LPWAN)技術(shù)非常適合機器對機器通信 (M2M)和 IoT設(shè)備的特定需求。該技術(shù)具備低功耗特性，且長距離傳輸能力突出，農(nóng)村地區(qū)范圍可達(dá) 10-50千米，城市地區(qū)則為 1-10千米。該網(wǎng)絡(luò)可在許可頻譜（NB-IoT和 LTE-M）和非許可頻譜（Sigfox和 LoRa）中工作。

LTE-M 針對更高帶寬和移動連接進(jìn)行了優(yōu)化。它在上行和下行鏈路上都減少了1.4 MHz的設(shè)備帶寬，最大傳輸功率減少了20 dBm， FDD（頻分雙工）的LTE覆蓋范圍提高了15 dB，并增強了LTE DRX周期，實現(xiàn)了更長的非活動周期，從而優(yōu)化了電池壽命。NB-IoT提供較低帶寬的數(shù)據(jù)連接，上行鏈路和下行鏈路的設(shè)備帶寬均為 200 kHz。比 LTE覆蓋范圍提高20dB。

Sigfox 和 LoRa都使用異步通信協(xié)議。Sigfox和 LoRa終端設(shè)備非運行期間，大部分時間都處于休眠模式，減少功耗。Sigfox和 LoRa支持使用 C類傳輸方式處理雙向低延遲，代價則是增加能耗。

e絡(luò)盟與眾多不同供應(yīng)商合作，提供各種通信技術(shù)產(chǎn)品和解決方案組合，例如：網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)和套件、RFID模塊、網(wǎng)絡(luò)模塊、藍(lán)牙模塊、ZigBee模塊、Sub-GHz、傳感器、網(wǎng)絡(luò)控制-無線、過程控制-無線、射頻/無線開發(fā)套件。