哪一種通信標準最適用于物聯(lián)網(wǎng)

作者/Richard Edgar Imagination Technologies公司通信技術(shù)總監

　　物聯(lián)網(wǎng)(IoT)的成功取決于可連接至世界各地的設備，而無(wú)線(xiàn)通信將成為實(shí)現這一目標的主要手段。無(wú)線(xiàn)標準種類(lèi)繁多，該如何做出恰當的選擇?

　　目前，物聯(lián)網(wǎng)的身影在手機上隨處可見(jiàn)，蜂窩網(wǎng)絡(luò )、Wi-Fi、藍牙等通訊技術(shù)已是眾所周知。還有一些其他的技術(shù)，無(wú)論是否新技術(shù)，都為物聯(lián)網(wǎng)應用提供了另一種選擇。由于應用程序各不相同，范圍、數據需求、安全性和功率需求、電池使用壽命和目標市場(chǎng)等，這些因素將決定如何對技術(shù)進(jìn)行選擇。

　　選擇無(wú)線(xiàn)標準時(shí)，功耗是一個(gè)關(guān)鍵的考慮因素。設備是電池充電還是插板充電呢?電池充電的設備必須盡可能節約能源，限制更換電池或給電池充電的必要性。電池的類(lèi)型也是一個(gè)重要的考慮因素。如果想使用硬幣電池來(lái)運行設備，且幾年時(shí)間都不進(jìn)行更換(如溫度傳感器)，那么，這個(gè)選擇將與預期定期充電(如手表)的設備有很大的不同。

　　數據率也是一個(gè)重要的考慮因素。有多少數據需要在設備和用戶(hù)的手機、云端或中央樞紐之間進(jìn)行傳輸?某些無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的吞吐量比其他技術(shù)高，因此，進(jìn)行適當的設計選擇至關(guān)重要。例如，多媒體流應用程序需要比健康追蹤器更高的吞吐量。

　　根據所預期的傳輸距離和設備的物理位置，頻率和傳輸功率在設計決策中占了很大的比例。設備通信的頻率將影響設備穿透墻壁和建筑物的能力，以及信號可以傳播的總距離。一般而言，相比高頻率，低頻率可以更好地穿透墻壁和建筑物。

　　此外，還需要考慮設備需要發(fā)送數據的距離。由于應用程序的差異，可能需要遠程(km)，如遠程農業(yè)監視器;或中程(m)，如智能家居;或短程(cm)，如健康跟蹤器。

　　最后，查看網(wǎng)絡(luò )拓撲，或設備如何彼此連接以給用戶(hù)提供數據或控制環(huán)境，這一點(diǎn)也至關(guān)重要。是否會(huì )有一個(gè)中央樞紐，使所有的設備都與之通信?這些設備會(huì )直接與用戶(hù)的移動(dòng)設備通訊么?或者，每個(gè)設備都能在網(wǎng)格配置中相互通信么?

　　有了這么多的連接選項，于是更難抉擇出最佳選擇。接下來(lái)，讓我們詳細地探討這些選項，以及它們如何與特定的設備相關(guān)聯(lián)。

　　1 IEEE 802.11 / Wi-Fi

　　對于開(kāi)發(fā)人員而言，Wi-Fi連接通常是一個(gè)常見(jiàn)的選擇，尤其是在家居產(chǎn)品和許多消費環(huán)境中，Wi-Fi可謂無(wú)處不在。根據IEEE標準，Wi-Fi的數據傳輸速率可以從1 Mbps到Gbps，里程可達300 m。對于Wi-Fi 和 IoT來(lái)說(shuō)，最大的挑戰是電池續航時(shí)間有限。Wi-Fi供應商正使用新功能和新標準，努力降低Wi-Fi功耗，但需要一段時(shí)間才能正式推向市場(chǎng)。最新的IEEE 802.11 ah標準——使用915 MHz頻譜，數據率低至300 kbps，最高里程可達1 km，其新特性可將電池壽命延長(cháng)至數月甚至數年。

　　標準：IEEE 802.11

　　頻率：2.4GHz 和5GHz帶寬頻率為915 MHz

　　里程：高達300m——使用IEEE 802.11ah標準高達1km

　　數據率：1 Mbps~7 Gbps

　　2 Bluetooth 藍牙

　　作為主要的短程通信標準之一，藍牙在許多消費品市場(chǎng)中的地位已經(jīng)變得舉足輕重。預計，藍牙將成為可穿戴產(chǎn)品的主要技術(shù)。

　　藍牙將無(wú)線(xiàn)配件與智能手機或平板電腦連接起來(lái)，并可作為互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)使用?？纱┐魇叫穆时O測器將數據上傳至云端服務(wù)器，或手機遙控的門(mén)鎖向安全公司發(fā)送狀態(tài)信息，這是眾多物聯(lián)網(wǎng)應用的兩個(gè)案例，而這些應用都可以通過(guò)藍牙技術(shù)來(lái)實(shí)現。

　　低功耗藍牙 (BLE—智能藍牙)是物聯(lián)網(wǎng)應用的重要協(xié)議，它提供了與藍牙類(lèi)似的里程，卻大幅降低了功耗。不過(guò)，藍牙智能/BLE的設計并不針對文件傳輸，而是更適合小塊數據。由于其在智能手機和許多其他移動(dòng)設備上進(jìn)行了廣泛的整合，故而在個(gè)人設備上使用時(shí)有很多技術(shù)上的優(yōu)勢?；ヂ?lián)網(wǎng)協(xié)議支持的最新版本將允許智能藍牙傳感器直接訪(fǎng)問(wèn)互聯(lián)網(wǎng)。

　　標準：藍牙4.2核心規范

　　頻率：2.4GHz (ISM)

　　里程：50-150m (智能藍牙/BLE)

　　數據率：1Mbps(智能藍牙/BLE)

　　3 6LoWPAN

　　6LoWPAN(低功耗無(wú)線(xiàn)個(gè)人區域網(wǎng)絡(luò )的IPv6)適用于低功耗且處理性能有限的設備。它旨在為小設備提供IoT連接，如硬幣電池供電的傳感器。該標準只定義了802.15.4數據鏈路層和TCP/IP棧之間可插入的有效適應層。

　　對于整個(gè)協(xié)議棧，仍然沒(méi)有全面的標準。此外，目前還不存在針對6LoWPAN解決方案的認證程序。由于數據鏈路層中有多種可選模式，不同的制造商開(kāi)發(fā)的解決方案在網(wǎng)絡(luò )層無(wú)法互操作。盡管如此，這些解決方案可以被指定為6LoWPAN網(wǎng)絡(luò )，而在不同網(wǎng)絡(luò )中駐留的6LoWPAN設備可以通過(guò)Internet進(jìn)行通信，只要它們使用相同的Internet應用程序協(xié)議。6LoWPAN設備還可以與任何基于IP的服務(wù)器或設備進(jìn)行通信，包括Wi-Fi和以太網(wǎng)設備。

　　6LoWPAN通信協(xié)議仍然是一個(gè)全新的協(xié)議。初始安裝是2.4 GHz、868MHz和916MHz的ISM波段。由于802.15.4技術(shù) (網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )拓撲、大型網(wǎng)絡(luò )、可靠的通信和低功耗操作)和IP通信技術(shù)的優(yōu)勢，6LoWPAN處在一個(gè)有利的位置，可以推動(dòng)不斷發(fā)展的云連接傳感器市場(chǎng)、低數據率應用和能量敏感型應用程序向前發(fā)展。

　　標準：RFC6282

　　頻率：適用于其他多種網(wǎng)絡(luò )媒體，包括智能藍牙 (2.4 GHz)或ZigBee或低功耗RF(sub-1GHz)

　　里程：N/A

　　數據率：N/A

　　4 Thread 線(xiàn)程

　　有一個(gè)旨在家居智能環(huán)境的基于IP的IPv6網(wǎng)絡(luò )協(xié)議，即基于6LowPAN的線(xiàn)程。這個(gè)由Thread Group于2014年年中發(fā)布的免版稅協(xié)議基于各種標準，包括IEEE802.15.4 (無(wú)線(xiàn)空中接口協(xié)議)、IPv6和6LoWPAN，并為物聯(lián)網(wǎng)提供了一種彈性的基于IP的解決方案。由于要在現有的IEEE802.15.4無(wú)線(xiàn)硅上工作，線(xiàn)程支持使用IEEE802.15.4無(wú)線(xiàn)電收發(fā)機的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )，且能處理高達250個(gè)節點(diǎn)，并具有很高的認證和加密能力。一個(gè)相對簡(jiǎn)單的軟件升級應該允許用戶(hù)在現有的IEEE802.15.4設備上運行線(xiàn)程。

　　標準：線(xiàn)程，基于IEEE802.15.4和 6LowPAN

　　頻率：2.4GHz (ISM)

　　里程：N/A

　　數據率：N/A

　　5 Zigbee

　　作為網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )，ZigBee(也使用IEEE 802.15.4)主要在2.4 GHz的ISM波段上運行，但它也支持868MHz和916MHz的ISM波段。盡管ZigBee的數據傳輸量最高可達250kbps，但實(shí)際應用程序的數據傳輸率往往要低得多。省電模式使硬幣電池的操作可以維持幾年。

　　這個(gè)標準由ZigBee Alliance維護。它定義了802.15.4數據鏈路層之上的協(xié)議層，并提供了一些應用程序概要文件。ZigBee在智能電網(wǎng)領(lǐng)域的應用非常成功。

　　盡管ZigBee標準有一個(gè)IP規范，但是它與主要應用程序領(lǐng)域的公共概要文件分離，并且尚未得到廣泛的應用。ZigBee網(wǎng)絡(luò )需要一個(gè)應用級的網(wǎng)關(guān)進(jìn)行云連接。網(wǎng)關(guān)作為節點(diǎn)來(lái)實(shí)現，是ZigBee網(wǎng)絡(luò )的一部分，同時(shí)通過(guò)以太網(wǎng)或Wi-Fi來(lái)執行TCP/IP棧。

　　ZigBee PRO和ZigBee遠程控制(RF4CE)，以及其他可用的ZigBee配置文件，其針對的應用程序需求是，在一個(gè)受限制的區域及100m范圍如家居環(huán)境或建筑物內，數據率相對較低，不需要頻繁的數據交換。

　　標準：基于IEEE802.15.4的ZigBee 3.0

　　頻率：2.4GHz

　　里程：10-100m

　　數據率：250kbps

　　6 NFC

　　NFC(近場(chǎng)通訊)是一項技術(shù)，可以在電子設備之間實(shí)現簡(jiǎn)單和安全的雙向交互，尤其適用于智能手機，使消費者可以進(jìn)行非接觸式支付交易、訪(fǎng)問(wèn)數字內容及連接電子設備。從本質(zhì)上說(shuō)，它擴展了非接觸式卡技術(shù)的功能，使設備能夠在不超過(guò)4cm的距離內共享信息。

　　標準: ISO/IEC 18000-3

　　頻率: 13.56MHz (ISM)

　　里程: 10cm

　　數據率: 100–420kbps

　　7 SigFox

　　Sigfox是一項寬里程技術(shù)，就里程而言介于Wi-Fi和蜂窩網(wǎng)絡(luò )之間。它使用ISM波段，且不需要獲得許可，便可以在一個(gè)非常狹窄的頻段內與連接對象傳輸數據。對于許多運行小電池且僅需要低層次數據傳輸的M2M應用程序來(lái)說(shuō)，Wi-Fi的傳輸里程太短，而蜂窩網(wǎng)絡(luò )成本昂貴且功耗大。Sigfox使用一種稱(chēng)為超窄帶(UNB)的技術(shù)解決了此問(wèn)題，其處理的是低數據傳輸，速度每秒10位到1000位。

　　標準: Sigfox

　　頻率: 900MHz

　　里程: 30-50km (農村環(huán)境), 3-10km (城市環(huán)境)

　　數據率: 10-1000bps

　　8 LoRa

　　LoRaWAN的目標是廣域網(wǎng)(WAN)應用程序，旨在為低功耗廣域網(wǎng)提供各項功能，以支持物聯(lián)網(wǎng)、M2M、智能城市和工業(yè)應用的低成本移動(dòng)安全雙向通信。其針對低功耗進(jìn)行了優(yōu)化，并支持擁有數百萬(wàn)臺設備的大型網(wǎng)絡(luò )，數據率是0.3 kbps到50 kbps。

　　標準: LoRaWAN

　　頻率: 不同

　　里程: 2-5km (農村環(huán)境), 15km (城市環(huán)境)

　　數據率: 0.3-50 kbps

　　9 展望物聯(lián)網(wǎng)的未來(lái)

　　許多需要物聯(lián)網(wǎng)通信的新興應用將依賴(lài)設備之間的有效信息傳輸，它們通常使用基于云端的應用程序。不過(guò)，在許多情況下，這將產(chǎn)生大量不必要的數據通信。使用一個(gè)更本地化的通信中心可以更有效地處理延遲。霧運算便是支持設備有效通訊的絕佳選擇。

　　顯而易見(jiàn)的是，無(wú)論使用哪種連接，傳輸數據至云端時(shí)總要產(chǎn)生帶寬、存儲、延遲和成本方面的消耗。因此，出現了一種趨勢——使邊緣節點(diǎn)/網(wǎng)關(guān)更加智能，而霧運算可以通過(guò)將云端擴展到事物所在的位置來(lái)實(shí)現這一目標。使用這樣的模型具有多重優(yōu)勢，因為它可以降低成本和功率，生成超低延遲，進(jìn)行實(shí)時(shí)分析，且使邊緣具有高級安全性能。

　　為應用程序篩選正確的通信標準將是決定解決方案與其他設備和人員交互的關(guān)鍵點(diǎn)。通常，不存在簡(jiǎn)單的“一個(gè)標準適合所有”的解決方案，并且將需要多個(gè)無(wú)線(xiàn)通訊組合來(lái)確保解決方案能夠與外部世界進(jìn)行交互。在許多應用程序中，我們可以看到多個(gè)標準的整合，從整合6LoWPAN 的802.15.4，到藍牙智能(LE)、藍牙4.0、再到Wi-Fi。Imagination為多個(gè)通信標準提供IP，并且按各種不同的方式進(jìn)行組合，以滿(mǎn)足客戶(hù)的特定需求。我們針對物聯(lián)網(wǎng)的Ensigma Whisper系列連接IP支持多種標準，且它們的設計也將支持未來(lái)的各種標準。