【導讀】物聯(lián)網，萬物互聯(lián)。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。
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。
Weightless
Weightless是以物聯(lián)網應用為目標的一系列開放無線技術標準。它有三種不同的版本，分別對應LPWAN市場中的不同細分領域。
最簡單的版本是用于低成本應用的Weightless-N。這個版本的目標是單工或單向用途，如傳感器監(jiān)視。它工作在不到1Gb的免許可ISM頻段。調制采用的是使用跳頻技術的差分BPSK，可最大程度地減少干擾。具有完整簽權功能的128位AES加密是這種技術的一個關鍵特性。由于是低數據速率和窄帶寬通道，傳輸距離可達5km。
無線技術一覽表
如果需要更高性能的雙向通信，Weightless-P也許是最好的選擇。它同時使用了頻分多址(FDMA)和時分多址(TDMA)技術，可管理訪問多個12.5kHz寬的信道。這種技術使用GMSK和交錯QPSK調制，數據速率范圍可從低速的200b/s一直到100kb/s。典型的最大傳輸距離約為2km。在安全方面支持AES-128/256加密和簽權。
第三個版本是Weightless-W，旨在工作在電視的空白頻段。空白頻段是以前在470MHz至790MHz范圍內被電視臺使用的那些6MHz寬信道。它可以達到1kb/s至10Mb/s的數據速率，具體取決于鏈路預算。在非視距條件下最遠傳輸距離可達5km以上。
Wi-Fi
Wi-Fi被廣泛用于許多物聯(lián)網應用案例，最常見的是作為從網關到連接互聯(lián)網的路由器的鏈路。然而，它也被用于要求高速和中距離的主要無線鏈路。
大多數Wi-Fi版本工作在2.4GHz免許可頻段，傳輸距離長達100米，具體取決于應用環(huán)境。流行的802.11n速度可達300Mb/s，而更新的、工作在5GHz ISM頻段的802.11ac，速度甚至可以超過1.3Gb/s。
一種被稱為HaLow的適合物聯(lián)網應用的新版Wi-Fi即將推出。這個版本的代號是802.11ah，在美國使用902MHz至928MHz的免許可頻段，其它國家使用1GHz以下的類似頻段。雖然大多數Wi-Fi設備在理想條件下最大只能達到100米的覆蓋范圍，但HaLow在使用合適天線的情況下可以遠達1km。
802.11ah的調制技術是OFDM，它在1MHz信道中使用24個子載波，在更大帶寬的信道中使用52個子載波。它可以是BPSK、QPSK或QAM，因此可以提供寬范圍的數據速率。在大多數情況下100kb/s到數Mb/s的速率足夠用了——真正的目標是低功耗。Wi-Fi聯(lián)盟透露，它將在2018年前完成802.11ah的測試和認證計劃。
針對物聯(lián)網應用的另外一種新的Wi-Fi標準是802.11af。它旨在使用從54MHz到698MHz范圍內的電視空白頻段或未使用的電視頻道。這些頻道很適合長距離和非視距傳輸。調制技術是采用BPSK、QPSK或QAM的OFDM。每個6MHz信道的最大數據速率大約為24Mb/s，不過在更低的VHF電視頻段有望實現更長的距離。
WirelessHART
這是得到廣泛使用的高速可尋址遠程傳感器(HART)工業(yè)網絡技術的無線版本，主要用于過程監(jiān)控、傳感器網絡、樓宇自動化和交通運輸領域。該技術基于流行的IEEE 802.15.4標準，代號是802.15.4e。
WirelessHART在基礎標準之上增加了一個時間同步網格協(xié)議。除了網格拓撲外，它也能采用星形配置。WirelessHART使用TDMA和時隙跳信道(TSCH)技術，最多可訪問個節(jié)點。
ZigBee
ZigBee是物聯(lián)網的理想選擇之一。
雖然ZigBee一般工作在2.4GHz ISM頻段，但它也可以在902MHz到928MHz和868MHz頻段中使用。在2.4GHz頻段中數據速率是250kb/s。它可以用在點到點、星形和網格配置中，支持多達216個節(jié)點。與其它技術一樣，安全性是通過AES-128加密來保證的。ZigBee的一個主要優(yōu)勢是有預先開發(fā)好的軟件應用配置文件供具體應用(包括物聯(lián)網)使用。最終產品必須得到許可。
Z-Wave
Z-Wave是一種單一來源的私有無線技術。工作在908.42MHz的ISM頻段。它使用高效的GFSK，可實現9600b/s或40kb/s的數據速率；在某些應用中甚至可達100kb/s。典型的功率電平是1mW(0dBm)，最大覆蓋范圍約30米，取決于具體應用環(huán)境。Z-Wave可以用于點到點鏈路或節(jié)點數最多232個的星形配置中。在安全性方面，它采用AES-128加密措施。這種技術必須獲得許可才能在商用產品中使用。
從文中這張表，我們可以快速地對文中提到的這12種技術進行比較。同時，物聯(lián)網市場包羅萬象，涉及工業(yè)、交通、農業(yè)和醫(yī)療等各行各業(yè)，應用的需求也各不相同。因此，對于物聯(lián)網這樣一個長尾市場，我們可以肯定，任何標準都不會占據主導地位。但是，我們可以針對具體應用很方便地找到一種最恰當的技術來與之對應。
文章來源于電子技術設計。
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