如何為工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)選擇最節能的通信方案？

為工業(yè)應用中的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）設備選擇通信方法時(shí)必須考慮以下幾個(gè)因素：最大吞吐量、距離范圍、部署區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 應用包含連接到傳感器節點(diǎn)的傳感器組。傳輸時(shí)間由兩個(gè)節點(diǎn)之間的距離、數據速率和信息大小決定，所有這些都會(huì )對能源優(yōu)化產(chǎn)生影響。事實(shí)上，數據速率越高，接收/傳輸數據所需的時(shí)間就越短，能耗也隨之降低。傳感器節點(diǎn)通常是電池供電的設備，其使用壽命受電池技術(shù)、設計及制造質(zhì)量等多個(gè)外部因素影響。

采用無(wú)線(xiàn)連接解決方案可為設備提供極低的能耗，同時(shí)保持快速傳輸大量數據的能力，無(wú)論距離遠近，確保經(jīng)濟可行性。

無(wú)線(xiàn)連接技術(shù)

工業(yè)應用中使用的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)：

如下圖所示，工業(yè)應用中的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )通常分為三類(lèi)：無(wú)線(xiàn)個(gè)人局域網(wǎng) (WPAN)、無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng) (WLAN) 及無(wú)線(xiàn)廣域網(wǎng) (WWAN)。

WPAN 覆蓋范圍通常為大約 100 米。此類(lèi)設備的 BLE、ZigBee、NFC 及 Thread 連接通常具有低無(wú)線(xiàn)電傳輸能耗，并且使用的電池較小。大多數情況下，這些設備處于睡眠模式。一旦有事件發(fā)生，設備便會(huì )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藍牙技術(shù)的十分之一。在低負載周期應用中，紐扣電池可確?？煽窟\行 5-10 年。

WLAN 的覆蓋范圍通?？蛇_ 1000 米。Wi-Fi 是最常見(jiàn)的標準。802.11 ax 是最新一代 Wi-Fi 標準之一，也稱(chēng)為 Wi-Fi 6。Wi-Fi 6 提供更高的數據速率和容量（高達 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(hù)端的功耗需求。目標喚醒時(shí)間 (TWT) 允許接入點(diǎn)和客戶(hù)端通過(guò)協(xié)商確定接收器確切的喚醒時(shí)間，以接收發(fā)送方傳輸的數據，從而減少功耗。

WWAN 的覆蓋范圍通?？蛇_ 100 千米。蜂窩技術(shù)（2G、3G 和 4G）用于遠程設備連接。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(lái)專(zhuān)注于覆蓋范圍和帶寬，但往往以犧牲能耗為代價(jià)。設備產(chǎn)生的大量數據很難快速處理，同時(shí)數據在連接設備間傳輸的往返延遲也很高。然而，5G 等新型蜂窩技術(shù)傳輸數據的速度比 4G 快 10 倍，有望實(shí)現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 設備的特定需求。該技術(shù)具備低功耗特性，且長(cháng)距離傳輸能力突出，農村地區范圍可達 10-50 千米，城市地區則為 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(dòng)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(shí)現了更長(cháng)的非活動(dòng)周期，從而優(yōu)化了電池壽命。NB-IoT 提供較低帶寬的數據連接，上行鏈路和下行鏈路的設備帶寬均為 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 終端設備非運行期間，大部分時(shí)間都處于休眠模式，減少功耗。Sigfox 和 LoRa 支持使用 C 類(lèi)傳輸方式處理雙向低延遲，代價(jià)則是增加能耗。

e絡(luò )盟與眾多不同供應商合作，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、藍牙模塊、ZigBee模塊、Sub-GHz、傳感器、網(wǎng)絡(luò )控制-無(wú)線(xiàn)、過(guò)程控制-無(wú)線(xiàn)、射頻/無(wú)線(xiàn)開(kāi)發(fā)套件。