物聯(lián)網無線通信技術盤點 藍牙/WiFi/Zigbee誰能成主流？

　　物聯(lián)網，萬物互聯(lián)。在這個時代下，越來越多的物體將被連接到互聯(lián)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(lián)網系統(tǒng)。這種無線連接是系統(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備及其周邊環(huán)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(lián)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(lián)網的接口，然后再通過互聯(lián)網服務提供商連 接到互聯(lián)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(lián)網。

　　圖：針對物聯(lián)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(qū)超過1英里的范圍。

　　· 環(huán)境：工廠中的危險環(huán)境，暴露在天氣中的室外環(huán)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(lián)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(lián)網接入服務費用。

　　· 開發(fā)平臺：需要操作系統(tǒng)嗎？需要哪些其它軟件？

　　·互聯(lián)網接入：蜂窩、數字用戶線路（DSL）、電纜、衛(wèi)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(lián)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(yè)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(yè)、科學和醫(yī)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(xié)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(jié)點

　　國際互聯(lián)網工程任務組（IETF）的6LoWPAN是基于低功耗無線個人區(qū)域網的互聯(lián)網協(xié)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(xié)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(yōu)異的低功 耗特性。發(fā)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(fā)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(lián)網。

　　對 大多數基本的監(jiān)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(lián)網（NB-IoT）

　　將LTE用于物聯(lián)網的一個相對較新的變體是窄帶物聯(lián)網。與使用標準LTE的全部10MHz或20MHz帶寬不同，窄帶物聯(lián)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(lián)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(lián)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(jié)，一個節(jié)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。