哪一種通信標準最適用于物聯網

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

　　物聯網(IoT)的成功取決于可連接至世界各地的設備，而無線通信將成為實現這一目標的主要手段。無線標準種類繁多，該如何做出恰當的選擇?

　　目前，物聯網的身影在手機上隨處可見，蜂窩網絡、Wi-Fi、藍牙等通訊技術已是眾所周知。還有一些其他的技術，無論是否新技術，都為物聯網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等，這些因素將決定如何對技術進行選擇。

　　選擇無線標準時，功耗是一個關鍵的考慮因素。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(jié)約能源，限制更換電池或給電池充電的必要性。電池的類型也是一個重要的考慮因素。如果想使用硬幣電池來運行設備，且?guī)啄陼r間都不進行更換(如溫度傳感器)，那么，這個選擇將與預期定期充電(如手表)的設備有很大的不同。

　　數據率也是一個重要的考慮因素。有多少數據需要在設備和用戶的手機、云端或中央樞紐之間進行傳輸?某些無線通信技術的吞吐量比其他技術高，因此，進行適當的設計選擇至關重要。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(jiān)視器;或中程(m)，如智能家居;或短程(cm)，如健康跟蹤器。

　　最后，查看網絡拓撲，或設備如何彼此連接以給用戶提供數據或控制環(huán)境，這一點也至關重要。是否會有一個中央樞紐，使所有的設備都與之通信?這些設備會直接與用戶的移動設備通訊么?或者，每個設備都能在網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，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聯。

　　1 IEEE 802.11 / Wi-Fi

　　對于開發(fā)人員而言，Wi-Fi連接通常是一個常見的選擇，尤其是在家居產品和許多消費環(huán)境中，Wi-Fi可謂無處不在。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來說，最大的挑戰(zhàn)是電池續(xù)航時間有限。Wi-Fi供應商正使用新功能和新標準，努力降低Wi-Fi功耗，但需要一段時間才能正式推向市場。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中的地位已經變得舉足輕重。預計，藍牙將成為可穿戴產品的主要技術。

　　藍牙將無線配件與智能手機或平板電腦連接起來，并可作為互聯網網關使用。可穿戴式心率監(jiān)測器將數據上傳至云端服務器，或手機遙控的門鎖向安全公司發(fā)送狀態(tài)信息，這是眾多物聯網應用的兩個案例，而這些應用都可以通過藍牙技術來實現。

　　低功耗藍牙 (BLE—智能藍牙)是物聯網應用的重要協議，它提供了與藍牙類似的里程，卻大幅降低了功耗。不過，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設備上進行了廣泛的整合，故而在個人設備上使用時有很多技術上的優(yōu)勢?；ヂ摼W協議支持的最新版本將允許智能藍牙傳感器直接訪問互聯網。

　　標準：藍牙4.2核心規(guī)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(低功耗無線個人區(qū)域網絡的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。

　　對于整個協議棧，仍然沒有全面的標準。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，不同的制造商開發(fā)的解決方案在網絡層無法互操作。盡管如此，這些解決方案可以被指定為6LoWPAN網絡，而在不同網絡中駐留的6LoWPAN設備可以通過Internet進行通信，只要它們使用相同的Internet應用程序協議。6LoWPAN設備還可以與任何基于IP的服務器或設備進行通信，包括Wi-Fi和以太網設備。

　　6LoWPAN通信協議仍然是一個全新的協議。初始安裝是2.4 GHz、868MHz和916MHz的ISM波段。由于802.15.4技術 (網狀網絡拓撲、大型網絡、可靠的通信和低功耗操作)和IP通信技術的優(yōu)勢，6LoWPAN處在一個有利的位置，可以推動不斷發(fā)展的云連接傳感器市場、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：適用于其他多種網絡媒體，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 線程

　　有一個旨在家居智能環(huán)境的基于IP的IPv6網絡協議，即基于6LowPAN的線程。這個由Thread Group于2014年年中發(fā)布的免版稅協議基于各種標準，包括IEEE802.15.4 (無線空中接口協議)、IPv6和6LoWPAN，并為物聯網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無線硅上工作，線程支持使用IEEE802.15.4無線電收發(fā)機的網狀網絡，且能處理高達250個節(jié)點，并具有很高的認證和加密能力。一個相對簡單的軟件升級應該允許用戶在現有的IEEE802.15.4設備上運行線程。

　　標準：線程，基于IEEE802.15.4和 6LowPAN

　　頻率：2.4GHz (ISM)

　　里程：N/A

　　數據率：N/A

　　5 Zigbee

　　作為網狀網絡，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。

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

　　盡管ZigBee標準有一個IP規(guī)范，但是它與主要應用程序領域的公共概要文件分離，并且尚未得到廣泛的應用。ZigBee網絡需要一個應用級的網關進行云連接。網關作為節(jié)點來實現，是ZigBee網絡的一部分，同時通過以太網或Wi-Fi來執(zhí)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，在一個受限制的區(qū)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(近場通訊)是一項技術，可以在電子設備之間實現簡單和安全的雙向交互，尤其適用于智能手機，使消費者可以進行非接觸式支付交易、訪問數字內容及連接電子設備。從本質上說，它擴展了非接觸式卡技術的功能，使設備能夠在不超過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，就里程而言介于Wi-Fi和蜂窩網絡之間。它使用ISM波段，且不需要獲得許可，便可以在一個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應用程序來說，Wi-Fi的傳輸里程太短，而蜂窩網絡成本昂貴且功耗大。Sigfox使用一種稱為超窄帶(UNB)的技術解決了此問題，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(WAN)應用程序，旨在為低功耗廣域網提供各項功能，以支持物聯網、M2M、智能城市和工業(yè)應用的低成本移動安全雙向通信。其針對低功耗進行了優(yōu)化，并支持擁有數百萬臺設備的大型網絡，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 展望物聯網的未來

　　許多需要物聯網通信的新興應用將依賴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，在許多情況下，這將產生大量不必要的數據通信。使用一個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。

　　顯而易見的是，無論使用哪種連接，傳輸數據至云端時總要產生帶寬、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(jié)點/網關更加智能，而霧運算可以通過將云端擴展到事物所在的位置來實現這一目標。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，進行實時分析，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鍵點。通常，不存在簡單的“一個標準適合所有”的解決方案，并且將需要多個無線通訊組合來確保解決方案能夠與外部世界進行交互。在許多應用程序中，我們可以看到多個標準的整合，從整合6LoWPAN 的802.15.4，到藍牙智能(LE)、藍牙4.0、再到Wi-Fi。Imagination為多個通信標準提供IP，并且按各種不同的方式進行組合，以滿足客戶的特定需求。我們針對物聯網的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的各種標準。