哪一種通信標(biāo)準(zhǔn)最適用于物聯(lián)網(wǎng)

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

　　物聯(lián)網(wǎng)(IoT)的成功取決于可連接至世界各地的設(shè)備，而無線通信將成為實現(xiàn)這一目標(biāo)的主要手段。無線標(biāo)準(zhǔn)種類繁多，該如何做出恰當(dāng)?shù)倪x擇?

　　目前，物聯(lián)網(wǎng)的身影在手機上隨處可見，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)，無論是否新技術(shù)，都為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用提供了另一種選擇。由于應(yīng)用程序各不相同，范圍、數(shù)據(jù)需求、安全性和功率需求、電池使用壽命和目標(biāo)市場等，這些因素將決定如何對技術(shù)進行選擇。

　　選擇無線標(biāo)準(zhǔn)時，功耗是一個關(guān)鍵的考慮因素。設(shè)備是電池充電還是插板充電呢?電池充電的設(shè)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(shè)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(yù)期定期充電(如手表)的設(shè)備有很大的不同。

　　數(shù)據(jù)率也是一個重要的考慮因素。有多少數(shù)據(jù)需要在設(shè)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(shù)的吞吐量比其他技術(shù)高，因此，進行適當(dāng)?shù)脑O(shè)計選擇至關(guān)重要。例如，多媒體流應(yīng)用程序需要比健康追蹤器更高的吞吐量。

　　根據(jù)所預(yù)期的傳輸距離和設(shè)備的物理位置，頻率和傳輸功率在設(shè)計決策中占了很大的比例。設(shè)備通信的頻率將影響設(shè)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(shè)備需要發(fā)送數(shù)據(jù)的距離。由于應(yīng)用程序的差異，可能需要遠程(km)，如遠程農(nóng)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(wǎng)絡(luò)拓撲，或設(shè)備如何彼此連接以給用戶提供數(shù)據(jù)或控制環(huán)境，這一點也至關(guān)重要。是否會有一個中央樞紐，使所有的設(shè)備都與之通信?這些設(shè)備會直接與用戶的移動設(shè)備通訊么?或者，每個設(shè)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，讓我們詳細地探討這些選項，以及它們?nèi)绾闻c特定的設(shè)備相關(guān)聯(lián)。

　　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(chǎn)品和許多消費環(huán)境中，Wi-Fi可謂無處不在。根據(jù)IEEE標(biāo)準(zhǔn)，Wi-Fi的數(shù)據(jù)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(yīng)商正使用新功能和新標(biāo)準(zhǔn)，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(biāo)準(zhǔn)——使用915 MHz頻譜，數(shù)據(jù)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(shù)月甚至數(shù)年。

　　標(biāo)準(zhǔn)：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(biāo)準(zhǔn)高達1km

　　數(shù)據(jù)率：1 Mbps~7 Gbps

　　2 Bluetooth 藍牙

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

　　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(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)使用?？纱┐魇叫穆时O(jiān)測器將數(shù)據(jù)上傳至云端服務(wù)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(lián)網(wǎng)應(yīng)用的兩個案例，而這些應(yīng)用都可以通過藍牙技術(shù)來實現(xiàn)。

　　低功耗藍牙 (BLE—智能藍牙)是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的重要協(xié)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(shè)計并不針對文件傳輸，而是更適合小塊數(shù)據(jù)。由于其在智能手機和許多其他移動設(shè)備上進行了廣泛的整合，故而在個人設(shè)備上使用時有很多技術(shù)上的優(yōu)勢。互聯(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問互聯(lián)網(wǎng)。

　　標(biāo)準(zhǔn)：藍牙4.2核心規(guī)范

　　頻率：2.4GHz (ISM)

　　里程：50-150m (智能藍牙/BLE)

　　數(shù)據(jù)率：1Mbps(智能藍牙/BLE)

　　3 6LoWPAN

　　6LoWPAN(低功耗無線個人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)的IPv6)適用于低功耗且處理性能有限的設(shè)備。它旨在為小設(shè)備提供IoT連接，如硬幣電池供電的傳感器。該標(biāo)準(zhǔn)只定義了802.15.4數(shù)據(jù)鏈路層和TCP/IP棧之間可插入的有效適應(yīng)層。

　　對于整個協(xié)議棧，仍然沒有全面的標(biāo)準(zhǔn)。此外，目前還不存在針對6LoWPAN解決方案的認(rèn)證程序。由于數(shù)據(jù)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(wǎng)絡(luò)層無法互操作。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(shè)備可以通過Internet進行通信，只要它們使用相同的Internet應(yīng)用程序協(xié)議。6LoWPAN設(shè)備還可以與任何基于IP的服務(wù)器或設(shè)備進行通信，包括Wi-Fi和以太網(wǎng)設(shè)備。

　　6LoWPAN通信協(xié)議仍然是一個全新的協(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(shù)據(jù)率應(yīng)用和能量敏感型應(yīng)用程序向前發(fā)展。

　　標(biāo)準(zhǔn)：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(shù)據(jù)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(wǎng)絡(luò)協(xié)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(xié)議基于各種標(biāo)準(zhǔn)，包括IEEE802.15.4 (無線空中接口協(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(xiàn)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(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，且能處理高達250個節(jié)點，并具有很高的認(rèn)證和加密能力。一個相對簡單的軟件升級應(yīng)該允許用戶在現(xiàn)有的IEEE802.15.4設(shè)備上運行線程。

　　標(biāo)準(zhǔn)：線程，基于IEEE802.15.4和 6LowPAN

　　頻率：2.4GHz (ISM)

　　里程：N/A

　　數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)傳輸量最高可達250kbps，但實際應(yīng)用程序的數(shù)據(jù)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(biāo)準(zhǔn)由ZigBee Alliance維護。它定義了802.15.4數(shù)據(jù)鏈路層之上的協(xié)議層，并提供了一些應(yīng)用程序概要文件。ZigBee在智能電網(wǎng)領(lǐng)域的應(yīng)用非常成功。

　　盡管ZigBee標(biāo)準(zhǔn)有一個IP規(guī)范，但是它與主要應(yīng)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(yīng)用。ZigBee網(wǎng)絡(luò)需要一個應(yīng)用級的網(wǎng)關(guān)進行云連接。網(wǎng)關(guān)作為節(jié)點來實現(xiàn)，是ZigBee網(wǎng)絡(luò)的一部分，同時通過以太網(wǎng)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(yīng)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(nèi)，數(shù)據(jù)率相對較低，不需要頻繁的數(shù)據(jù)交換。

　　標(biāo)準(zhǔn)：基于IEEE802.15.4的ZigBee 3.0

　　頻率：2.4GHz

　　里程：10-100m

　　數(shù)據(jù)率：250kbps

　　6 NFC

　　NFC(近場通訊)是一項技術(shù)，可以在電子設(shè)備之間實現(xiàn)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(shù)字內(nèi)容及連接電子設(shè)備。從本質(zhì)上說，它擴展了非接觸式卡技術(shù)的功能，使設(shè)備能夠在不超過4cm的距離內(nèi)共享信息。

　　標(biāo)準(zhǔn): ISO/IEC 18000-3

　　頻率: 13.56MHz (ISM)

　　里程: 10cm

　　數(shù)據(jù)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，便可以在一個非常狹窄的頻段內(nèi)與連接對象傳輸數(shù)據(jù)。對于許多運行小電池且僅需要低層次數(shù)據(jù)傳輸?shù)腗2M應(yīng)用程序來說，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使用一種稱為超窄帶(UNB)的技術(shù)解決了此問題，其處理的是低數(shù)據(jù)傳輸，速度每秒10位到1000位。

　　標(biāo)準(zhǔn): Sigfox

　　頻率: 900MHz

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

　　數(shù)據(jù)率: 10-1000bps

　　8 LoRa

　　LoRaWAN的目標(biāo)是廣域網(wǎng)(WAN)應(yīng)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(yīng)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(shù)百萬臺設(shè)備的大型網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)率是0.3 kbps到50 kbps。

　　標(biāo)準(zhǔn): LoRaWAN

　　頻率: 不同

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

　　數(shù)據(jù)率: 0.3-50 kbps

　　9 展望物聯(lián)網(wǎng)的未來

　　許多需要物聯(lián)網(wǎng)通信的新興應(yīng)用將依賴設(shè)備之間的有效信息傳輸，它們通常使用基于云端的應(yīng)用程序。不過，在許多情況下，這將產(chǎn)生大量不必要的數(shù)據(jù)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(shè)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(shù)據(jù)至云端時總要產(chǎn)生帶寬、存儲、延遲和成本方面的消耗。因此，出現(xiàn)了一種趨勢——使邊緣節(jié)點/網(wǎng)關(guān)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(xiàn)這一目標(biāo)。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(yīng)用程序篩選正確的通信標(biāo)準(zhǔn)將是決定解決方案與其他設(shè)備和人員交互的關(guān)鍵點。通常，不存在簡單的“一個標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)用程序中，我們可以看到多個標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(lián)網(wǎng)的Ensigma Whisper系列連接IP支持多種標(biāo)準(zhǔn)，且它們的設(shè)計也將支持未來的各種標(biāo)準(zhǔn)。