滿足多種工業(yè)無線標準和協(xié)議的芯片選型考量
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迎 九 （《電子產(chǎn)品世界》，北京 100036）
本文引用地址：http://m.butianyuan.cn/article/201910/406427.htm摘?要：工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)(IIoT)通常有多種無線標準或協(xié)議，到底哪種無線方案最佳？芯片方案如何滿足市場上多種無線連接方案的需求？為此，《電子產(chǎn)品世界》采訪了TI、Silicon Labs、Nordic、u-blox、儒卓力、CEVA等公司。
1 應對多種無線標準/協(xié)議，TI的SimpleLink平臺與BAW技術不斷更新
1.1 IIoT對無線連接的要求
相對于消費類物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)對于設備各個方面的性能要求更高。在一個相對復雜的工業(yè)環(huán)境下，產(chǎn)品需要提供更穩(wěn)定的應用、更安全健壯的連接、更廣泛的可擴展性和供電系統(tǒng)的適應性，這無疑對方案供應商提出了更高的要求，安全、可靠、低功耗是無線方案在IIoT（工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)）無線連接里面的核心競爭力。同時，連接標準的持續(xù)演變也對方案的研發(fā)成本提出了挑戰(zhàn)，容易使用并且方便升級擴展的系統(tǒng)也是未來對于IIoT方案的另外一個需求。
作為成熟的通信標準，Wi-Fi、BLE、ZigBee、NB-IoT、3G/4G modem等仍舊會持續(xù)在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)市場解決相應的網(wǎng)絡問題。與此同時，TI的TI15.4Stack、LoRa、Sigfox等Sub-1G的協(xié)議又作為Sub-1G類遠距離傳輸網(wǎng)絡在IIoT中發(fā)揮重要的作用。但隨著2.4 GHz頻段和433 MHz/470 MHz頻段的設備越來越多，對于設備的共存和抗干擾性能提出了更高的要求。同時，也對新的應用頻段和協(xié)議提出了新的需求，例如5 GHz頻段的SoC 物聯(lián)網(wǎng)Wi-Fi產(chǎn)品。
另外，當今工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的無線系統(tǒng)也變得越來越復雜。由于場景的需求，也許有更多的協(xié)議會被復合采用，從多協(xié)議到多頻段系統(tǒng)，從感知端到云端實現(xiàn)穩(wěn)定可靠方便的傳輸。
1.2 TI的SimpleLink平臺與BAW技術
眾所周知，TI在工業(yè)應用市場上投入很大，對于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)市場也不例外。
此前，TI已經(jīng)推出了基于CC26xx、CC13xx、CC32xx系列芯片的SimpleLink TM 開發(fā)平臺，可以支持低功耗藍牙、ZigBee/802.15.4、Thread、Wi-Fi、6LoWPAN、Sigfox、Sub-1G等協(xié)議的并行開發(fā)，通過在不同協(xié)議中完美復用應用層代碼，簡化和降低工業(yè)客戶的研發(fā)難度和成本，從而解決了IIoT應用連接標準持續(xù)演變和復雜性的顧慮。
2019年初，TI推出了第三代2.4G/5G雙頻Wi-FiCC3235S/CC3135S，將客戶的無線連接方案頻段擴展到了干擾更小的5G頻段，使通信鏈路更為可靠穩(wěn)定。另外，CC32XXS系列無線MCU（微控制器）包含了諸如安全存儲、克隆保護、安全啟動和網(wǎng)絡安全性等25種豐富的嵌入式安全特性，這些特性為開發(fā)人員提供了強大的工具，幫助他們在無需使用外部安全MCU或元件的情況下保護IoT（物聯(lián)網(wǎng)）器件，避免知識產(chǎn)權、數(shù)據(jù)竊取和其他風險。
TI已經(jīng)發(fā)布的體聲波（BAW）技術，也幫助工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)客戶提供了一顆更為穩(wěn)定可靠的芯片——CC2652RB。由于不再需要外部的射頻晶振，利用TIBAW技術的創(chuàng)新芯片可以縮減物料清單成本，減小設備的尺寸和設計的復雜性，提高網(wǎng)絡的性能。并且，BAW技術相對應crystal（晶體）材料晶振，在工業(yè)和電信應用中可以大幅提升抗振動和沖擊的能力，從農(nóng)業(yè)到工廠，客戶都可以利用這項技術開發(fā)出更高性能的系統(tǒng)。
2 Silicon Labs支持多樣化的無線協(xié)議
2.1 IIoT對無線連接的要求
在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）應用中有3種通用類型的無線網(wǎng)絡：1）由客戶開發(fā)、實施和維護的專有網(wǎng)絡；2）由客戶部署和維護的基于標準的無線網(wǎng)絡；3）客戶以付費形式接入的現(xiàn)有蜂窩物聯(lián)網(wǎng)（IoT）網(wǎng)絡，例如LTE-M或NB-IoT。蜂窩物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡是工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應用的一個理想選擇，例如應用在跨越遠距離和大區(qū)域（如城市、州/省甚至全國范圍）內的資產(chǎn)跟蹤。
在為工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應用選擇通信網(wǎng)絡時，客戶必須考慮各種技術和成本因素。對于許多客戶而言，這些考慮因素將繼續(xù)推動他們使用專有的或基于標準的無線網(wǎng)絡來構建和維護他們自己的網(wǎng)絡。據(jù)Silicon Lans預測，在可預見的將來，這些網(wǎng)絡還將與蜂窩技術共存。盡管5G在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)方面具有廣闊的應用前景，但現(xiàn)有的無線技術可以為僅需要低數(shù)據(jù)速率的機器對機器（M2M）和機器對云端應用提供可擴展且經(jīng)濟高效的連接。
2.2 看好哪類無線通信標準
Silicon Labs的無線物聯(lián)網(wǎng)解決方案廣泛支持多樣化的無線協(xié)議，包括Zigbee、Thread、藍牙mesh、低功耗藍牙、Wi-Fi、Z-Wave和專有協(xié)議等 [1] 。SiliconLabs為物聯(lián)網(wǎng)應用提供了豐富的器件組合，包括無線SoC和模塊、微控制器和傳感器，使客戶能構建完整的系統(tǒng)，來監(jiān)測環(huán)境變化，在本地處理數(shù)據(jù)，并使用無線技術將數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆贫诉M行分析?？蛻艉秃献骰锇檫€可以使用Silicon Labs的射頻產(chǎn)品，來實現(xiàn)WirelessM-Bus、Wi-SUN、ISA-100和WirelessHART等更多的無線通信協(xié)議，以滿足特定的工業(yè)應用需求。
作為Silicon Labs的關鍵差異化要素之一，SiliconLabs為工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)提供了恰到好處的無線連接。SiliconLabs為客戶提供了靈活性，他們可以從多種可選的無線協(xié)議中選擇任何一種，這是因為Silicon Labs的無線器件是在一個可支持多種標準和專有協(xié)議的通用的、可擴展的平臺上構建的。針對工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)，Silicon Labs提供了靈活的連接技術選擇，包括能在2.4 GHz運行各種領先的、基于標準的協(xié)議，以及大部分在1 GHz以下運行的專有協(xié)議，所有這些功能都可以集成在同一個無線系統(tǒng)級芯片（SoC）器件上。
工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)涉及數(shù)量眾多、各自不同的應用和市場。Silicon Labs將關注點放在了樓宇自動化、智能照明、智能表計、資產(chǎn)管理和其他類似的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應用上，它們需要基于標準的和專有的低功耗無線連接 [2] 。
Silicon Labs的解決方案主要有Wireless GeckoSeries 2平臺和 Wireless Gecko Series 1平臺，它們都包含無線SoC和模塊。
3 Nordic看好LTE-M和NB-IoT前景
3.1 IIoT對無線連接的要求
工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）可以實現(xiàn)高水平的超高效自動化運作，前提是需要一個能夠在廣泛的工業(yè)環(huán)境中實現(xiàn)快速數(shù)據(jù)吞吐的無線解決方案。
由于IIoT的運作也嚴重依賴于傳感器陣列，而這些傳感器由微型電池或能量收集技術供電，因此這個無線網(wǎng)絡的功耗必須非常低。由于網(wǎng)絡通常需要通過廣域網(wǎng)（WAN）進行通信，因此理想的解決方案是可以用作低功耗WAN（LPWAN）的無線技術。這就是無線IIoT的主要難題 [3] 。
然而，我們還有其他考量，例如這個無線網(wǎng)絡必須可靠且不受外部攻擊。在理想情況下，它還應該支持GPS之類的定位服務，以實現(xiàn)資產(chǎn)跟蹤。
3.2 看好LTE-M和NB-IoT
Nordic Semiconductor認為用于IIoT的蜂窩無線解決方案將被廣泛采用，尤其是LTE-M和NB-IoT。這些開放標準由3GPP開發(fā)和管理，確保了全球范圍內的互操作性和可靠性。
LTE-M非常適合要求低功耗、低延遲和移動性的中等吞吐量應用，例如資產(chǎn)跟蹤、可穿戴設備、醫(yī)療和家庭安全應用，當然還有IIoT領域中的眾多應用。
NB-IoT非常適合需要低功耗和長距離的低吞吐量靜態(tài)應用，例如智能計量、智能農(nóng)業(yè)和智慧城市應用。
能源效率是蜂窩物聯(lián)網(wǎng)技術的基石。LTE-M和NB-IoT均是為了使設備能夠以電池驅動來運行數(shù)年而設計。這可以通過使用多種技術來實現(xiàn)，但在任何一個用例中，數(shù)據(jù)吞吐量都低于標準LTE，從而降低了能耗。
3.3 Nordic的解決方案
Nordic的nRF9160是緊湊的高集成度系統(tǒng)級封裝（SiP）器件，可為各種單一設備低功耗蜂窩物聯(lián)網(wǎng)（cIoT）設計（包括IIoT應用設計）提供最新的低功耗LTE技術以及先進的處理功能和安全性，并且易于使用。
nRF9160集成了Arm Cortex-M33應用處理器、完整的LTE調制解調器、RF前端（RFFE）和電源管理系統(tǒng)，是緊湊、完整、節(jié)能的蜂窩物聯(lián)網(wǎng)解決方案。
集成調制解調器同時支持LTE-M和NB-IoT，可以在全球范圍內運行，而無需使用任何區(qū)域特定型款。nRF9160支持包括eDRX和PSM的所有節(jié)能功能。
為實現(xiàn)安全可靠的執(zhí)行以及密匙生成和存儲，nRF9160采用重要的額外安全措施，其中包括ArmTrustZone和Arm CryptoCell，進一步增強了設備安全性。
GPS接收器已集成到無線電中，并提供各種運作模式以配合采用位置跟蹤的多種應用。
4 工業(yè)無線用LTE和5G方案
4.1 IIoT對無線連接的要求因應用而不同
無線連接的要求完全取決于各個應用場景的不同需求。針對工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)，應用場景主要分為兩個核心需求。首先是對低功耗和網(wǎng)絡覆蓋廣域提出的極高要求，這一需求主要是來自于數(shù)據(jù)吞吐量較低的電池驅動設備，該類設備有可能位于蜂窩網(wǎng)絡覆蓋有限的區(qū)域。其次，另一個需求則源于超可靠、低延時的通信技術，而這對于工業(yè)領域的高可靠度作業(yè)起著至關重要的作用，例如管理工業(yè)控制回路。順帶一提的是這兩個核心應用場景正是當下5G技術的主要目標場景。總而言之，客戶需要能夠提供安全且可靠的無線連接的產(chǎn)品, 并且能在整個產(chǎn)品生命周期中提供支持。
4.2 u-blox的模塊與芯片方案
4.2.1 模塊方案
u-blox始終從工業(yè)應用場景的核心需求出發(fā)，設計并研發(fā)杰出的無線通信解決方案，覆蓋領域包括工廠自動化、智能儀表、資產(chǎn)追蹤和聯(lián)網(wǎng)醫(yī)療設備等等。這也就是為什么u-blox能夠基于LTE-M、窄帶物聯(lián)網(wǎng)等低功耗廣域以及LTE Cat 1、LTE Cat 4等無線通信標準，開發(fā)出獨有的產(chǎn)品組合。
與此同時，越來越多的客戶和市場都開始關注端到端網(wǎng)絡安全的重要性，u-blox也希望能夠為他們的業(yè)務流程、資產(chǎn)和客戶信息提供最大限度的保障。因此，u-blox一直以來都竭力在產(chǎn)品性能和安全性上精益求精，力求為客戶提供超出預期的產(chǎn)品組合，讓高性能、高安全性不僅僅為產(chǎn)品銷售而服務，更要讓其貫穿整個客戶產(chǎn)品的生命周期。
4.2.2 芯片產(chǎn)品
自2019年以來，u-blox發(fā)布了數(shù)款全新芯片產(chǎn)品。盡管這需要在研發(fā)上投入相當大的成本，但是這一切都是值得的，因為這使u-blox能完全控制產(chǎn)品的功能以滿足市場需求。另外，這也讓u-blox不再依托于第三方供應商，實現(xiàn)進一步的獨立創(chuàng)新。
u-blox也與另一家瑞士企業(yè)Kudelski展開合作，該公司在數(shù)字資產(chǎn)保護技術領域有著豐富的經(jīng)驗，針對工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)中特有的、基于硬件可信根的嵌入式端到端網(wǎng)絡安全需求，研發(fā)出相應的5G的芯片組。
5 IIoT需要多種無線連接方案，儒卓力可提供一攬子方案
5.1 IIoT用無線連接的應用現(xiàn)狀
根據(jù)應用本身，IIoT無線連接的要求有很大的不同，這里沒有“一刀切”的解決方案。NB-IoT贏得了遠程超低功耗技術之戰(zhàn)，這要歸功于移動網(wǎng)絡運營商(MNO)的優(yōu)秀基礎設施。Sigfox和LoRa在某些應用中仍然適用，但是現(xiàn)在NB-IoT被更廣泛地用于不同的場景。Sigfox和LoRa率先在市場上出現(xiàn)的時間優(yōu)勢已經(jīng)消失，NB-IoT已經(jīng)超越了它們。在功耗無關緊要的遠程技術方面，4G技術仍處于領先地位。儒卓力正向市場提供首個5G工業(yè)模塊，但是在基礎設施和價格與4G技術處于同一水平之前，客戶不會選擇使用5G技術。
在短程環(huán)境中，IIoT無線連接的要求取決于各項任務：能量收集傳感器使用了1 GHz以下的 EnOcean技術。如果使用小型電池，佳明（Garmin）的ANT產(chǎn)品越來越受歡迎，因為新的工業(yè)應用配置文件正在研究中。ANT已經(jīng)在超低功耗消費設備中建立了良好地位，如今也開始涉足工業(yè)領域。藍牙Mesh [4] 則用于工業(yè)照明應用。由于市場上已經(jīng)出現(xiàn)了第一批使用IEEE802.11ax的路由器和智能手機，Wi-Fi技術正在從第5代過渡到第6代。新一代技術也在影響工業(yè)Wi-Fi模塊的選擇。RFID和NFC是舊式無線技術，但在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中的使用仍不斷增長。
5.2 工業(yè)無線通信標準在應用中的挑戰(zhàn)
眾所周知的大型無線標準技術也將在工業(yè)應用中獲得更多的市場份額，其中包括Wi-Fi、藍牙、RFID和5G。
如果單一應用需要特殊功能，則需要專有解決方案。在成本、功耗、范圍、速度或安全性方面，專有解決方案可以調整為最佳性能。
標準技術始終是在這些不同的關鍵性能指標方面作出妥協(xié)的折衷方案，但相互操作性可以得到保證。
5.3 儒卓力的解決方案
儒卓力早在2005年便建立了無線技術中心，當時第一部iPhone和物聯(lián)網(wǎng)設備還沒有問世。這個無線產(chǎn)品部門管理著大約40家不同供應商的產(chǎn)品組合，從而確保為每項應用提供最佳的產(chǎn)品和技術。儒卓力現(xiàn)在提供收發(fā)器IC、無線連接IC、系統(tǒng)級芯片，以及與即用型模塊相同的解決方案，包括天線、天線匹配網(wǎng)絡、認證和屏蔽。此外，儒卓力的產(chǎn)品組合還包括一些無線設備，諸如網(wǎng)關、信標、調制解調器以及包括各種無線技術的完整計算機系統(tǒng)。因此，客戶可以和儒卓力無線技術中心團隊成員接洽以便為找到正確的解決方案。
6 藍牙、Wi-Fi和NB-IoT的應用場景分析
6.1 工業(yè)無線的應用場景
市場上沒有適合所有工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）應用的“一體適用”無線連接解決方案。不同的應用具有不同的要求，使得某種解決方案比其他解決方案更合適。不過，任何無線應用通常有多個典型的關鍵要求，包括：數(shù)據(jù)速率，功耗/電池壽命，連接范圍和穩(wěn)定性，安全性，互操作性和通用生態(tài)系統(tǒng)，當然還有成本。
工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)采用了幾種無線通信標準和專有解決方案。不過，CEVA認為最受歡迎的是藍牙、Wi-Fi和NB-IoT。它們都具有強大的安全功能并擁有大型生態(tài)系統(tǒng)。需要用戶根據(jù)具體應用來決定其中哪個方案較合適。
例如以下有幾個典型應用。
1）資產(chǎn)跟蹤。如果應用要求在國家或世界范圍內跟蹤資產(chǎn)（例如集裝箱），那么蜂窩通信解決方案是最好的選擇，以便在各處進行通信。NB-IoT（帶有GNSS）是低成本和低功耗應用的最佳選擇，并且已獲所有移動網(wǎng)絡運營商（MNO）在全球范圍部署。
如果應用是在小范圍內或建筑物、工廠、倉庫或醫(yī)院等室內跟蹤資產(chǎn)，Wi-Fi或低功耗藍牙都是很好的選擇。這兩種技術都包含本地化功能。盡管Wi-Fi的連接范圍更廣，但低功耗藍牙不僅具有更低的功耗，并提供了更好的精度（遠低于1 m），這要歸功于使用AoA/AoD（到達角/出發(fā)角）方法的全新低功耗藍牙5.1測向功能。
2）無線傳感器/執(zhí)行器監(jiān)控。最合適的方案選擇還是取決于連接范圍、吞吐量和功耗限制。例如在智能農(nóng)業(yè)、智能計量和智慧城市中，連接范圍通常很廣（從幾百米到幾千米），數(shù)據(jù)吞吐量非常低，維護周期很長，因此NB-IoT是充分利用MNO的高可用性基礎架構的絕佳選擇。如果是用于范圍較小的室內應用，連接醫(yī)療傳感器或智能建筑傳感器（諸如狀態(tài)檢測、門鎖、溫度計、機器控制和缺陷檢測），那么Wi-Fi或低功耗藍牙更合適。若要直接連接到云，則Wi-Fi會更好；如果低功耗（即電池壽命）更為重要，則低功耗藍牙是首選方案。無電池低功耗藍牙設備（注：具有太陽能或其他能量收集技術）越來越受歡迎。實際上，低功耗藍牙標準在過去數(shù)年中已經(jīng)獲得長足發(fā)展以滿足此類應用需求，具有長距離和mesh支持，尤其是mesh已證明很受歡迎，可以覆蓋經(jīng)典藍牙范圍以外的領域。如果吞吐量要求很高（超過100 kbit/s數(shù)倍），則Wi-Fi更合適，例如心電圖（ECG）應用需要在幾天的時間內，連續(xù)將患者的生體信號從各種ECG單元流傳輸?shù)綑C器。
6.2 CEVA的IP解決方案
CEVA提供藍牙、Wi-Fi和帶有GNSS的NB-IoT交鑰匙解決方案。CEVA的客戶將解決方案集成到SoC中，用于各種物聯(lián)網(wǎng)應用。CEVA的解決方案涵蓋了無線電、調制解調器、基帶/MAC和軟件協(xié)議棧，其中后者可在通用CPU或CEVA DSP上執(zhí)行，以實現(xiàn)最佳性能。
CEVA的交鑰匙平臺有：CEVA-Dragonfly NB2，是NB-IoT平臺；CEVA RivieraWaves藍牙IP；CEVARivieraWaves Wi-Fi IP。
參考文獻
[1] MAUPIN M.無線IIoT：邁向下一代工業(yè)互聯(lián).電子產(chǎn)品世界,2019(3):15-16.
[2] 李仁慶.Silicon Labs藍牙Mesh應用實例.電子產(chǎn)品世界,2019(4):72-75.
[3] 王瑩,毛爍.IoT無線連接的技術方案與未來趨勢.電子產(chǎn)品世界,2018(11):11.
[4] WOOLLEY M.如何使用藍牙m(xù)esh擴展無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡.電子產(chǎn)品世界,2018(10):22-26.
本文來源于科技期刊《電子產(chǎn)品世界》2019年第11期第12頁，歡迎您寫論文時引用，并注明出處。
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