物聯(lián)網(wǎng)中的幾大關鍵無線通信技術(shù)，你更看好誰

物聯(lián)網(wǎng)（IoT）這個概念于1999年首次出現(xiàn)，它描述了一種使用互聯(lián)網(wǎng)來改善人類生活的智能設備網(wǎng)絡。比如一輛裝配有各種傳感器的汽車，當輪胎壓力不足時，傳感器就會向你的手機發(fā)出提醒。除了運用大量的傳感器，物聯(lián)網(wǎng)還是各種無線互連技術(shù)的競技場，蜂窩、Wi-Fi、BLE、NB-IoT、LTE-M、LoRa、Zigbee、NFC，甚至衛(wèi)星通信等眾多無線技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)中，均發(fā)揮著關鍵作用。這些技術(shù)使得數(shù)十億物聯(lián)網(wǎng)設備將每天捕獲的海量數(shù)據(jù)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心并加以處理，從而服務于千行百業(yè)。

物聯(lián)網(wǎng)中的連接技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)應用在本質(zhì)上是關于設備或過程的遠程監(jiān)控和管理。沒有連接，物聯(lián)網(wǎng)就不可能存在，物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng)中的設備只有連接到其他設備才能工作。目前有很多種技術(shù)可以提供這種連接，如圖1所示。

圖1：不同應用下所需的連接技術(shù)

（圖源：Transforma Insights）

圖1中列舉的蜂窩、藍牙、Wi-Fi、Zigbee、LTE-M、LoRa、NFC等均是物聯(lián)網(wǎng)中最常見的通信技術(shù)和協(xié)議，這些物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議滿足了絕大部分物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的特定功能要求。

蜂窩通信是一個由電信運營商部署且覆蓋范圍廣、可靠性和安全性都很高的無線網(wǎng)絡，用戶無需再建一個全新的網(wǎng)絡來連接物聯(lián)網(wǎng)項目中的各種設備。蜂窩連接通常是高度移動的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的理想選擇。隨著5G的大規(guī)模部署，跨廣域連接的物聯(lián)網(wǎng)設備（也稱為“大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)”，massive IoT）將成為現(xiàn)實，將跨廣域連接數(shù)千個物聯(lián)網(wǎng)設備。高數(shù)據(jù)速率蜂窩連接是數(shù)據(jù)密集型物聯(lián)網(wǎng)應用、高速移動設備和實時視頻流的完美選擇。在超大規(guī)模蜂窩物聯(lián)網(wǎng)白皮書中給出了這樣一組數(shù)據(jù)，到2026年底，蜂窩物聯(lián)網(wǎng)僅占所有連接的22%，算下來約有59億設備將通過蜂窩網(wǎng)絡實現(xiàn)連接。原因也很明顯，即：雖然蜂窩網(wǎng)絡能夠發(fā)送大量數(shù)據(jù)，尤其是4G和5G網(wǎng)絡，但對于許多應用來說，它的成本和功耗太高了。

圖2：使用不同技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)設備的實際和預測數(shù)量

（圖源：IoT Analytics）

絕大多數(shù)物聯(lián)網(wǎng)連接使用的是短程無線技術(shù)，如Wi-Fi、藍牙、Z-wave和Zigbee等（如圖2）。其中，Wi-Fi連接是最受歡迎的物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議之一，特別是考慮到局域網(wǎng)內(nèi)家庭和工作環(huán)境中的Wi-Fi可用性，許多開發(fā)者都會優(yōu)先選擇它。因此，Wi-Fi在物聯(lián)網(wǎng)中的應用非常普遍，從智能電視、智能燈泡到智能冰箱等一系列智能設備，一切都可以使用Wi-Fi網(wǎng)絡輕松操作。在餐廳和商業(yè)場所很流行的數(shù)字標牌，Wi-Fi也是一個絕佳的選擇，因為這些商店中的絕大多數(shù)已經(jīng)安裝了Wi-Fi路由器，執(zhí)行方案也非常簡單。

總的來說，對于物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng)僅限于特定區(qū)域的應用而言，如家庭或辦公室，Wi-Fi肯定是一個簡單而有效的選擇。Wi-Fi的優(yōu)點很明顯，包括在私人環(huán)境中保護網(wǎng)絡的能力以及對傳輸數(shù)據(jù)量沒有成本限制等。同樣，缺點也是眾所周知的，如可靠性略低、數(shù)據(jù)傳輸范圍有限、功耗較高等。

目前，許多家庭和企業(yè)最常使用的是Wi-Fi 5（802.11ac）或者更早一些的版本。Wi-Fi 5的最高數(shù)據(jù)傳輸速率可達6.9Gbps，這對于文件傳輸來說足夠了。但在企業(yè)市場，尤其是工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）應用，如工業(yè)自動化、監(jiān)控和遠程控制、AR/VR以及其他需要高帶寬、低延遲和高連接可靠性的視頻類的應用，這個傳輸速率有時會顯得力不從心?，F(xiàn)在，Wi-Fi 6已經(jīng)從早期部署快速過渡到規(guī)模應用，網(wǎng)絡的速度和容量得到大幅提升，其吞吐量幾乎是Wi-Fi 5的四倍。令人欣喜的是，Wi-Fi技術(shù)的迭代從未停歇，Wi-Fi 6尚在推廣階段，Wi-Fi 7的規(guī)范就準備好了。雖然正式標準尚未發(fā)布，但用于接入點的Wi-Fi 7芯片已經(jīng)面世。

藍牙是一種重要的短程無線通信協(xié)議，在計算機和消費品市場中占有重要一席，更是可穿戴產(chǎn)品中的關鍵技術(shù)。新的藍牙低功耗（BLE）是物聯(lián)網(wǎng)應用的重要通信協(xié)議，尤其適用于小型電池供電設備。支持藍牙的智能手表和健身追蹤儀可以將數(shù)據(jù)快速回傳，在智能手機上用戶就能很方便的查看相關信息。

Mesh協(xié)議（ZigBee、Z-Wave和Thread）在物聯(lián)網(wǎng)中同樣扮演著重要角色。Mesh網(wǎng)絡是通過多個路由器連接的多節(jié)點結(jié)構(gòu)。這些連接往往是直接的、動態(tài)的，而不是基于固有的層次結(jié)構(gòu)，有足夠的靈活性，能夠適應各種網(wǎng)絡條件，從而高效地傳輸數(shù)據(jù)。Mesh網(wǎng)絡的自我配置能力意味著它們可以從故障節(jié)點中快速恢復，而無需外部維護，因此非常適合企業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應用，即使在大規(guī)模應用中也能保持高可靠性。與藍牙一樣，ZigBee、Z-Wave和Thread等Mesh協(xié)議也常用于消費品中。當您想要連接多個設備時，Mesh是一個很好的選擇，在智慧家庭、環(huán)境監(jiān)測等應用中，Mesh越來越受歡迎。

每種技術(shù)都有自己適用的應用場景。蜂窩是移動的設備的首選技術(shù)。Wi-Fi等短距離技術(shù)主要用于室內(nèi)連接。低功耗廣域網(wǎng)（LPWAN），包括NB-IoT和LTE-M、LoRa等技術(shù)，專注于更具成本效益、在室內(nèi)或地下位置表現(xiàn)更好，以及電池壽命長達10年的電池供電設備等物聯(lián)網(wǎng)應用，這些技術(shù)正在成為物聯(lián)網(wǎng)連接方案的焦點，也是我們今天要重點介紹的技術(shù)。

LPWAN：物聯(lián)網(wǎng)中重要的連接技術(shù)

在行業(yè)內(nèi)，LPWAN技術(shù)堪比一項革命性的物聯(lián)網(wǎng)接入技術(shù)，它具有低功耗、長距離、低帶寬、網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)簡單、運營成本低等特點。與蜂窩、Wi-Fi、藍牙、ZigBee等技術(shù)相比，LPWAN真正實現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)的低成本廣覆蓋。LoRaWAN、NB-IoT、LTE-M或RPMA等均被歸類為LPWAN。其中，NB-IoT和LoRa是LPWAN中的主要技術(shù)，也是大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)應用的首選技術(shù)。

#01 NB-IoT

窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）是IoT領域的一項新興技術(shù)，它能夠以低成本實現(xiàn)廣泛的物聯(lián)網(wǎng)連接，拓寬了物聯(lián)網(wǎng)的潛在應用。根據(jù)愛立信Mobility Report November 2020的報告，接下來，NB-IoT/Cat-M（Cat-M1也被稱為LTE-M）將出現(xiàn)爆炸性增長，從2020年的近2億個聯(lián)網(wǎng)設備增長到2026年底的約26億個，占所有蜂窩物聯(lián)網(wǎng)連接的45%。

圖3：使用不同蜂窩技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)設備的實際和預測數(shù)量

（圖源：Ericsson）

高通公司是較早推出NB-IoT芯片的企業(yè)，早在2017年3月發(fā)布并于5月底量產(chǎn)的MDM9206芯片便是一款用于LTE物聯(lián)網(wǎng)且支持多模式的芯片，它集成了MTC、NB-IoT和GPRS三種技術(shù)。該芯片支持全球Cat-M1和Cat-NB1 LTE的所有頻段，集成GPS、GNOSS、北斗和伽利略全球?qū)Ш叫l(wèi)星定位服務，實現(xiàn)了低成本、低功耗、低帶寬、廣覆蓋的物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品和服務。

圖4：高通公司MDM9206芯片

（圖源：高通）

緊隨高通，一年后，Nordic也向業(yè)界發(fā)布了其首款NB-IoT/LTE-M雙模芯片和模組nRF91系列，并且成為繼Altair、Sequans和高通公司之后第四家發(fā)布商用NB-IoT芯片的跨國公司。Nordic的nRF91系列是一款支持3GPP R13規(guī)范的LTE-M/NB-IoT雙模芯片，其中的nRF9160 SiP是業(yè)內(nèi)率先采用Arm?Cortex?M-33 CPU內(nèi)核的NB-IoT模塊，具有1MB閃存和256kB RAM板載內(nèi)存。nRF9160 SiP還是首個將Arm當時最先進的Arm TrustZone和Arm CryptoCell安全功能融入互聯(lián)網(wǎng)級加密和應用保護中。這些技術(shù)都是設計用于高能效，并且在運算能力、功耗和安全性方面要求超高性能水平的嵌入式IoT產(chǎn)品。nRF9160 SiP模塊的尺寸僅為10 x 16 x 1mm，適用于非常緊湊的可穿戴消費產(chǎn)品和醫(yī)療設備，主要應用包括資產(chǎn)監(jiān)控和跟蹤、公用事業(yè)計量、工業(yè)和預測性維護、智慧城市和基礎設施、智慧農(nóng)業(yè)和醫(yī)療等。

圖5：nRF91系列是一款支持3GPP R13規(guī)范的LTE-M/NB-IoT雙模芯片

（圖源：貿(mào)澤電子）

#02 LoRa

LoRa是主流的LPWAN通信技術(shù)，它是一種基于調(diào)頻擴頻技術(shù)的超長距離無線傳輸方案，充分考慮了距離和功耗，為用戶提供了電池壽命長、傳輸距離長的簡單傳感器網(wǎng)絡。LoRa傳輸信道的帶寬為157dB，理論傳輸距離可達15km，工作電流僅為10mA，待機電流為200nA，功耗非常低，有利于延長電池的使用壽命。LoRa的網(wǎng)絡頻段基本上是世界上的自由頻段，這些頻段是433Hz、868Hz、915Hz等。LoRa的終端節(jié)點是各種物聯(lián)網(wǎng)設備，例如智能抄表、智能電表、快遞跟蹤器、牧場管理器等。

據(jù)2022年12月初最新的市場消息，Semtech LoRa生態(tài)合作伙伴深圳矽遞科技攜手物聯(lián)網(wǎng)方案商Stal Data公司，在位于荷蘭的集約式養(yǎng)豬場部署了基于LoRaWAN協(xié)議的SenseCAP環(huán)境監(jiān)測設備，對養(yǎng)豬場內(nèi)二氧化碳濃度、氨濃度，以及溫濕度等各種環(huán)境參數(shù)實現(xiàn)了遠程監(jiān)測，并通過在線直播實時展示豬群的生長情況，在大幅提升生產(chǎn)效率的同時，食品安全的透明與可追溯性也有了保證。目前，LoRa已經(jīng)擁有成熟的生態(tài)鏈，預計未來幾年將保持快速發(fā)展。

LoRa是專為長距離和低功耗應用場景開發(fā)的無線通信技術(shù)，它在物聯(lián)網(wǎng)應用中的發(fā)展與每個LoRa終端設備中的LoRa模塊密不可分。Microchip公司的RN2483是一款基于LoRa技術(shù)且經(jīng)過全面認證的868MHz模塊，在Sub-GHz頻帶內(nèi)使用獨特的擴頻調(diào)制，以實現(xiàn)長距離、低功率和高網(wǎng)絡容量。該模塊的嵌入式LoRaWAN協(xié)議支持無縫連接到任何符合LoRaWAN的網(wǎng)絡基礎設施。RN2483還是一款率先通過LoRa聯(lián)盟認證測試的LoRa模塊，它通過了LoRaWAN 1.0.1規(guī)范的認證，確保設計者能夠快速輕松地將其終端設備集成到任何LoRaWAN網(wǎng)絡中。其中，RN2483A-I / RM104-LoRaWAN規(guī)范1.0.1，適用于A級應用；RN2483A-I / RM105-LoRaWAN規(guī)范1.0.2，支持A級和C級應用。

圖6：RN2483是首個通過LoRa聯(lián)盟認證測試的LoRa模塊

（圖源：Microchip）

STMicroelectronics的STM32WL MCU是STM32 RF產(chǎn)品系列中的一員，它在同一芯片上集成了通用微控制器和sub-GHz無線電。STM32WL MCU基于Arm Cortex‐M4和Cortex-M0+內(nèi)核（可選單核或雙核），支持復合調(diào)制LoRa、FSK、MSK、BPSK，以完全開放的方式通過LoRaWAN、Sigfox、W-MBUS或任何其他合適的協(xié)議認證，以確保在無線應用中的靈活性，是業(yè)內(nèi)較早推出的一款LoRa SoC。STM32WL MCU采用基于Semtech SX126x的sub-GHz無線電，以滿足工業(yè)和消費物聯(lián)網(wǎng)中各種LPWAN無線應用的需求。

圖7：STM32WL MCU是業(yè)內(nèi)首款LoRa SoC

（圖源：ST）

結(jié)語

物聯(lián)網(wǎng)應用中有兩種主要類型的無線技術(shù)。一種是短程無線技術(shù)，如藍牙 / Wi-Fi / ZigBee / NFC，藍牙或NFC等個人區(qū)域網(wǎng)絡（PAN）的范圍為一米或兩米，用于連接耳機等個人設備，其中的NFC（近場通信）也是一種物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，它實現(xiàn)了電子設備之間的簡單和安全的通信，這些短程無線技術(shù)中部署極為廣泛的是Wi-Fi，幾乎普遍部署在住宅和企業(yè)環(huán)境中；另一種是構(gòu)成廣域網(wǎng)的技術(shù)，如2G / 3G / 4G / 5G。每種技術(shù)的優(yōu)點和缺點都很明顯。LPWAN是一種面向物聯(lián)網(wǎng)遠距離、低功耗要求的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡層技術(shù)。在LPWAN之前，在遠程和低功耗之間通常只有一種選擇。使用LPWAN后，人們無需在二者之間再做權(quán)衡了，LPWAN除了實現(xiàn)遠距離通信和超低功耗外，還可以節(jié)省額外的中繼成本。

LPWAN是物聯(lián)網(wǎng)不可或缺的一部分，它具有靈活和可擴展的特性，網(wǎng)絡規(guī)模可大可小，這是物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)成長和探索階段所必需的，據(jù)稱也是極為適合物聯(lián)網(wǎng)的無線通信技術(shù)。根據(jù)Facts and Factors的預測，2021年全球物聯(lián)網(wǎng)設備市場規(guī)模為15.295億美元，預計到2028年將增長至27.2442億美元，預測期內(nèi)復合年增長率（CAGR）約為10.10%。蓬勃發(fā)展的物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)也一定會帶火其中的關鍵技術(shù)。目前，LPWAN中的兩大物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡NB-IoT和LoRa正在快速發(fā)展，未來前景可期。