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(shí)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(jī)上隨處可見，蜂窩網(wǎng)絡(luò)、Wi-Fi、藍(lán)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(jìn)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(yùn)行設(shè)備，且?guī)啄陼r間都不進(jìn)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(jī)、云端或中央樞紐之間進(jìn)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(jìn)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(yuǎn)程(km)，如遠(yuǎn)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?fù)?，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(diǎn)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(xiàng)，于是更難抉擇出最佳選擇。接下來，讓我們詳細(xì)地探討這些選項(xiàng)，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(fèi)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(dá)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(dá)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(dá)300m——使用IEEE 802.11ah標(biāo)準(zhǔn)高達(dá)1km

　　數(shù)據(jù)率：1 Mbps~7 Gbps

　　2 Bluetooth 藍(lán)牙

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

　　藍(lán)牙將無線配件與智能手機(jī)或平板電腦連接起來，并可作為互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)使用。可穿戴式心率監(jiān)測器將數(shù)據(jù)上傳至云端服務(wù)器，或手機(jī)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(lán)牙技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。

　　低功耗藍(lán)牙 (BLE—智能藍(lán)牙)是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的重要協(xié)議，它提供了與藍(lán)牙類似的里程，卻大幅降低了功耗。不過，藍(lán)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(jī)和許多其他移動設(shè)備上進(jìn)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(lán)牙傳感器直接訪問互聯(lián)網(wǎng)。

　　標(biāo)準(zhǔn)：藍(lán)牙4.2核心規(guī)范

　　頻率：2.4GHz (ISM)

　　里程：50-150m (智能藍(lán)牙/BLE)

　　數(shù)據(jù)率：1Mbps(智能藍(lán)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(jìn)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(jìn)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?fù)洹⒋笮途W(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(lán)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(jī)的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，且能處理高達(dá)250個節(jié)點(diǎn)，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(yùn)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(yùn)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(dá)250kbps，但實(shí)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(hù)。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(jìn)行云連接。網(wǎng)關(guān)作為節(jié)點(diǎn)來實(shí)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(yuǎn)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(xiàng)技術(shù)，可以在電子設(shè)備之間實(shí)現(xiàn)簡單和安全的雙向交互，尤其適用于智能手機(jī)，使消費(fèi)者可以進(jìn)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(kuò)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(xiàng)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(yùn)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(xiàng)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(jìn)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(yùn)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(diǎn)/網(wǎng)關(guān)更加智能，而霧運(yùn)算可以通過將云端擴(kuò)展到事物所在的位置來實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。使用這樣的模型具有多重優(yōu)勢，因?yàn)樗梢越档统杀竞凸β?，生成超低延遲，進(jìn)行實(shí)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(diǎn)。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(jìn)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(lán)牙智能(LE)、藍(lán)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(jìn)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)。