物聯(lián)網(wǎng)，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(wǎng)，并最終實現(xiàn)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(xiàn)。

 

然而，設(shè)備本身一般通過無線方式連接到物聯(lián)網(wǎng)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(shè)備及其周邊環(huán)境的無線技術(shù)很重要。本文介紹了最有可能為新設(shè)計采用的幾種無線候選技術(shù)。

 

設(shè)備通過無線方式鏈接到網(wǎng)關(guān)是一種典型的物聯(lián)網(wǎng)連接場景(圖)。網(wǎng)關(guān)是通過公用寬帶電纜或DSL調(diào)制解調(diào)器連接互聯(lián)網(wǎng)的接口，然后再通過互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)提供商連接到互聯(lián)網(wǎng)。在另外一種被稱為機到機(M2M)的應(yīng)用場景中，設(shè)備連接會經(jīng)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(wǎng)。

 

圖：針對物聯(lián)網(wǎng)(a)和M2M(b)應(yīng)用的典型無線連接場景

 

在選擇無線技術(shù)時必須詳細考察許多設(shè)計因素：

 

• 設(shè)備的數(shù)據(jù)速率：視頻流，測量每分鐘的溫度，或之間的其他參數(shù)。

 

• 到網(wǎng)關(guān)的范圍或距離：房間內(nèi)幾英寸的距離，或農(nóng)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(shè)備的噪聲或電磁干擾等。

 

• 需要加密或認證：對數(shù)據(jù)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(wǎng)設(shè)備的數(shù)量。

 

• 服務(wù)質(zhì)量和可靠性。

 

• 網(wǎng)絡(luò)拓撲：星形，網(wǎng)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(shè)備。

 

• 成本：設(shè)計、制造或互聯(lián)網(wǎng)接入服務(wù)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(wǎng)接入：蜂窩、數(shù)字用戶線路(DSL)、電纜、衛(wèi)星。

 

• 可用標準的許可條件。

 

 

一般被稱為機到機(M2M)的許多使用案例都類似于物聯(lián)網(wǎng)。多家供應(yīng)商提供蜂窩電話模塊用于嵌入到其它產(chǎn)品，而大多數(shù)主要的蜂窩運營商都在標準許可頻譜上提供M2M連接服務(wù)。雖然像GSM/GPRS/EDGE等2G技術(shù)很流行，但一些運營商已經(jīng)有計劃逐步淘汰2G業(yè)務(wù)。

 

然而，大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)仍然支持諸如WCDMA和CDMA2000等3G技術(shù)，其數(shù)據(jù)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以短距離、低中數(shù)據(jù)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(chǔ)。它的主要工作頻譜是2.4GHz工業(yè)、科學(xué)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(wǎng)絡(luò)層提供基于數(shù)據(jù)包的協(xié)議。其它標準都是以此為基礎(chǔ)增加更多的層，從而提供增強的網(wǎng)絡(luò)功能和性能。

 

 

國際互聯(lián)網(wǎng)工程任務(wù)組(IETF)的6LoWPAN是基于低功耗無線個人區(qū)域網(wǎng)的互聯(lián)網(wǎng)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(shù)將IPv6數(shù)據(jù)包適配進其它協(xié)議幀的方式。

 

 

也許使用最廣泛的短距離無線技術(shù)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(shù)據(jù)速率、功率電平和范圍。其基本的工作原理是采用不同調(diào)制方法的跳頻擴展頻譜(FHSS)技術(shù)。

 

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(shù)據(jù)包，最大速率是1Mb/s，采用GFSK調(diào)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(長距離)是由Semtech公司開發(fā)的一種技術(shù)，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(diào)頻啁啾擴頻技術(shù)。這種擴頻調(diào)制允許多個無線電設(shè)備使用相同的頻段，只要每臺設(shè)備采用不同的啁啾和數(shù)據(jù)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是長期演進的縮寫，是目前第4代蜂窩技術(shù)。

 

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(shè)計的。M2M應(yīng)用也被稱作機器類通信(MTC)，使用許可頻譜中的現(xiàn)有蜂窩網(wǎng)絡(luò)，而不是短距離的無線和互聯(lián)網(wǎng)。

 

對大多數(shù)基本的監(jiān)視和控制應(yīng)用來說，標準的LTE網(wǎng)絡(luò)太浪費了。LTE Cat 0和Cat 1是簡化版本，可以為最大數(shù)據(jù)速率分別為1Mb/s和10Mb/s的M2M應(yīng)用提供合適的解決方案。Cat 0和Cat 1使用現(xiàn)有的LTE帶寬和正交頻分多址(OFDMA)調(diào)制技術(shù)。這種長距離解決方案可以支持數(shù)公里的范圍。

 

 

將LTE用于物聯(lián)網(wǎng)的一個相對較新的變體是窄帶物聯(lián)網(wǎng)。與使用標準LTE的全部10MHz或20MHz帶寬不同，窄帶物聯(lián)網(wǎng)使用包含12個15kHz LTE子載波的180kHz寬的資源塊。數(shù)據(jù)速率在100kb/s到1Mb/s范圍之內(nèi)。

 

這種更加簡化的標準可以為聯(lián)網(wǎng)設(shè)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(wǎng)絡(luò)。窄帶物聯(lián)網(wǎng)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(diào)制采用OFDMA下行鏈路和SC-FDMA上行鏈路。

 

 

SIGFOX既是一種無線技術(shù)，也是一種網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。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(shè)備采用了一種被稱為超窄帶(UNB)調(diào)制的技術(shù)，只是偶爾以低數(shù)據(jù)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(shù)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(yù)算外，它還可以達到數(shù)公里的長傳輸距離。

 

 

Weightless是以物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用為目標的一系列開放無線技術(shù)標準。它有三種不同的版本，分別對應(yīng)LPWAN市場中的不同細分領(lǐng)域。

 

最簡單的版本是用于低成本應(yīng)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(diào)制采用的是使用跳頻技術(shù)的差分BPSK，可最大程度地減少干擾。具有完整簽權(quán)功能的128位AES加密是這種技術(shù)的一個關(guān)鍵特性。由于是低數(shù)據(jù)速率和窄帶寬通道，傳輸距離可達5km。

 

無線技術(shù)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(shù)，可管理訪問多個12.5kHz寬的信道。這種技術(shù)使用GMSK和交錯QPSK調(diào)制，數(shù)據(jù)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(quán)。

 

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(nèi)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(shù)據(jù)速率，具體取決于鏈路預(yù)算。在非視距條件下最遠傳輸距離可達5km以上。

 

 

Wi-Fi被廣泛用于許多物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用案例，最常見的是作為從網(wǎng)關(guān)到連接互聯(lián)網(wǎng)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(shù)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(yīng)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(wǎng)應(yīng)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(shù)Wi-Fi設(shè)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(diào)制技術(shù)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(shù)據(jù)速率。在大多數(shù)情況下100kb/s到數(shù)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(wǎng)應(yīng)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(nèi)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(diào)制技術(shù)是采用BPSK、QPSK或QAM的OFDM。每個6MHz信道的最大數(shù)據(jù)速率大約為24Mb/s，不過在更低的VHF電視頻段有望實現(xiàn)更長的距離。

 

 

這是得到廣泛使用的高速可尋址遠程傳感器(HART)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的無線版本，主要用于過程監(jiān)控、傳感器網(wǎng)絡(luò)、樓宇自動化和交通運輸領(lǐng)域。該技術(shù)基于流行的IEEE 802.15.4標準，代號是802.15.4e。

 

WirelessHART在基礎(chǔ)標準之上增加了一個時間同步網(wǎng)格協(xié)議。除了網(wǎng)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(shù)，最多可訪問個節(jié)點。

 

 

ZigBee是物聯(lián)網(wǎng)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(shù)據(jù)速率是250kb/s。它可以用在點到點、星形和網(wǎng)格配置中，支持多達216個節(jié)點。與其它技術(shù)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(yù)先開發(fā)好的軟件應(yīng)用配置文件供具體應(yīng)用(包括物聯(lián)網(wǎng))使用。最終產(chǎn)品必須得到許可。

 

 

Z-Wave是一種單一來源的私有無線技術(shù)。工作在908.42MHz的ISM頻段。它使用高效的GFSK，可實現(xiàn)9600b/s或40kb/s的數(shù)據(jù)速率；在某些應(yīng)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(yīng)用環(huán)境。Z-Wave可以用于點到點鏈路或節(jié)點數(shù)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(shù)必須獲得許可才能在商用產(chǎn)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(shù)進行比較。同時，物聯(lián)網(wǎng)市場包羅萬象，涉及工業(yè)、交通、農(nóng)業(yè)和醫(yī)療等各行各業(yè)，應(yīng)用的需求也各不相同。因此，對于物聯(lián)網(wǎng)這樣一個長尾市場，我們可以肯定，任何標準都不會占據(jù)主導(dǎo)地位。但是，我們可以針對具體應(yīng)用很方便地找到一種最恰當?shù)募夹g(shù)來與之對應(yīng)。

 

文章來源于電子技術(shù)設(shè)計。