八大无线通信标准混战物联网,谁将胜出?

作者:Richard Edgar

物联网((IoT)依赖连接设备,因此无线通信至关重要。但无线标准各式各样,该如何选择呢?本文将针对这些不同的标准进行深入探讨。

物联网(IoT)的成功取决于可连接至世界各地的设备,而无线通信将成为实现这一目标的主要手段。无线标准种类繁多,该如何做出恰当的选择?

目前,物联网的身影在手机上随处可见,蜂窝网络、Wi-Fi、蓝牙等通讯技术已是众所周知。还有一些其他的技术,无论是否新技术,都为物联网应用提供了另一种选择。由于应用程序各不相同,范围、数据需求、安全性和功率需求、电池使用寿命和目标市场等,这些因素将决定如何对技术进行选择。

选择无线标准时,功耗是一个关键的考虑因素。设备是电池充电还是插板充电呢?电池充电的设备必须尽可能节约能源,限制更换电池或给电池充电的必要性。电池的类型也是一个重要的考虑因素。如果想使用硬币电池来运行设备,且几年时间都不进行更换(如温度传感器),那么,这个选择将与预期定期充电(如手表)的设备有很大的不同。

数据率也是一个重要的考虑因素。有多少数据需要在设备和用户的手机、云端或中央枢纽之间进行传输?某些无线通信技术的吞吐量比其他技术高,因此,进行适当的设计选择至关重要。例如,多媒体流应用程序需要比健康追踪器更高的吞吐量。

根据所预期的传输距离和设备的物理位置,频率和传输功率在设计决策中占了很大的比例。设备通信的频率将影响设备穿透墙壁和建筑物的能力,以及信号可以传播的总距离。一般而言,相比高频率,低频率可以更好地穿透墙壁和建筑物。

此外,还需要考虑设备需要发送数据的距离。由于应用程序的差异,可能需要远程(km),如远程农业监视器;或中程(m),如智能家居;或短程(cm),如健康跟踪器。

最后,查看网络拓扑,或设备如何彼此连接以给用户提供数据或控制环境,这一点也至关重要。是否会有一个中央枢纽,使所有的设备都与之通信?这些设备会直接与用户的移动设备通讯么?或者,每个设备都能在网格配置中相互通信么?

有了这么多的连接选项,于是更难抉择出最佳选择。接下来,让我们详细地探讨这些选项,以及它们如何与特定的设备相关联。

IEEE 802.11 / Wi-Fi

对于开发人员而言,Wi-Fi连接通常是一个常见的选择,尤其是在家居产品和许多消费环境中,Wi-Fi可谓无处不在。根据IEEE标准,Wi-Fi的数据传输速率可以从1 Mbps到Gbps,里程可达300m。对于Wi-Fi 和 IoT来说,最大的挑战是电池续航时间有限。Wi-Fi供应商正使用新功能和新标准,努力降低Wi-Fi功耗,但需要一段时间才能正式推向市场。最新的IEEE 802.11 ah标准——使用915 MHz频谱,数据率低至300 kbps,最高里程可达1 km,其新特性可将电池寿命延长至数月甚至数年。

标准:IEEE 802.11
频率:2.4GHz 和5GHz带宽频率为915 MHz
里程:高达300m——使用IEEE 802.11ah标准高达1km
数据率:1 Mbps~7 Gbps

蓝牙

作为主要的短程通信标准之一,蓝牙在许多消费品市场中的地位已经变得举足轻重。预计,蓝牙将成为可穿戴产品的主要技术。

蓝牙将无线配件与智能手机或平板电脑连接起来,并可作为互联网网关使用。可穿戴式心率监测器将数据上传至云端服务器,或手机遥控的门锁向安全公司发送状态信息,这是众多物联网应用的两个案例,而这些应用都可以通过蓝牙技术来实现。

低功耗蓝牙 (BLE—智能蓝牙)是物联网应用的重要协议,它提供了与蓝牙类似的里程,却大幅降低了功耗。不过,蓝牙智能/BLE的设计并不针对文件传输,而是更适合小块数据。由于其在智能手机和许多其他移动设备上进行了广泛的整合,故而在个人设备上使用时有很多技术上的优势。互联网协议支持的最新版本将允许智能蓝牙传感器直接访问互联网。

标准:蓝牙4.2核心规范
频率:2.4GHz (ISM)
里程:50-150m (智能蓝牙/BLE)
数据率:1Mbps(智能蓝牙/BLE)

6LoWPAN

6LoWPAN(低功耗无线个人区域网络的IPv6)适用于低功耗且处理性能有限的设备。它旨在为小设备提供IoT连接,如硬币电池供电的传感器。该标准只定义了802.15.4数据链路层和TCP/IP栈之间可插入的有效适应层。

对于整个协议栈,仍然没有全面的标准。此外,目前还不存在针对6LoWPAN解决方案的认证程序。由于数据链路层中有多种可选模式,不同的制造商开发的解决方案在网络层无法互操作。尽管如此,这些解决方案可以被指定为6LoWPAN网络,而在不同网络中驻留的6LoWPAN设备可以通过Internet进行通信,只要它们使用相同的Internet应用程序协议。6LoWPAN设备还可以与任何基于IP的服务器或设备进行通信,包括Wi-Fi和以太网设备。

6LoWPAN通信协议仍然是一个全新的协议。初始安装是2.4 GHz、868MHz和916MHz的ISM波段。由于802.15.4技术 (网状网络拓扑、大型网络、可靠的通信和低功耗操作)和IP通信技术的优势,6LoWPAN处在一个有利的位置,可以推动不断发展的云连接传感器市场、低数据率应用和能量敏感型应用程序向前发展。

标准:RFC6282
频率:适用于其他多种网络媒体,包括智能蓝牙 (2.4 GHz)或ZigBee或低功耗RF(sub-1GHz)
里程:N/A
数据率:N/A

线程

有一个旨在家居智能环境的基于IP的IPv6网络协议,即基于6LowPAN的线程。这个由Thread Group于2014年年中发布的免版税协议基于各种标准,包括IEEE802.15.4 (无线空中接口协议)、IPv6和6LoWPAN,并为物联网提供了一种弹性的基于IP的解决方案。由于要在现有的IEEE802.15.4无线硅上工作,线程支持使用IEEE802.15.4无线电收发机的网状网络,且能处理高达250个节点,并具有很高的认证和加密能力。一个相对简单的软件升级应该允许用户在现有的IEEE802.15.4设备上运行线程。

标准:线程,基于IEEE802.15.4和 6LowPAN
频率:2.4GHz (ISM)
里程:N/A
数据率:N/A

Zigbee

作为网状网络,ZigBee(也使用IEEE 802.15.4)主要在2.4 GHz的ISM波段上运行,但它也支持868MHz和916MHz的ISM波段。尽管ZigBee的数据传输量最高可达250kbps,但实际应用程序的数据传输率往往要低得多。省电模式使硬币电池的操作可以维持几年。

这个标准由ZigBee Alliance维护。它定义了802.15.4数据链路层之上的协议层,并提供了一些应用程序概要文件。ZigBee在智能电网领域的应用非常成功。

尽管ZigBee标准有一个IP规范,但是它与主要应用程序领域的公共概要文件分离,并且尚未得到广泛的应用。ZigBee网络需要一个应用级的网关进行云连接。网关作为节点来实现,是ZigBee网络的一部分,同时通过以太网或Wi-Fi来执行TCP/IP栈。

ZigBee PRO和ZigBee远程控制(RF4CE),以及其他可用的ZigBee配置文件,其针对的应用程序需求是,在一个受限制的区域及100m范围如家居环境或建筑物内,数据率相对较低,不需要频繁的数据交换。

标准:基于IEEE802.15.4的ZigBee 3.0
频率:2.4GHz
里程:10-100m
数据率:250kbps

NFC

NFC(近场通讯)是一项技术,可以在电子设备之间实现简单和安全的双向交互,尤其适用于智能手机,使消费者可以进行非接触式支付交易、访问数字内容及连接电子设备。从本质上说,它扩展了非接触式卡技术的功能,使设备能够在不超过4cm的距离内共享信息。

标准: ISO/IEC 18000-3
频率: 13.56MHz (ISM)
里程: 10cm
数据率: 100–420kbps

SigFox

Sigfox是一项宽里程技术,就里程而言介于Wi-Fi和蜂窝网络之间。它使用ISM波段,且不需要获得许可,便可以在一个非常狭窄的频段内与连接对象传输数据。对于许多运行小电池且仅需要低层次数据传输的M2M应用程序来说,Wi-Fi的传输里程太短,而蜂窝网络成本昂贵且功耗大。Sigfox使用一种称为超窄带(UNB)的技术解决了此问题,其处理的是低数据传输,速度每秒10位到1000位。

标准: Sigfox
频率: 900MHz
里程: 30-50km (农村环境), 3-10km (城市环境)
数据率: 10-1000bps

LoRa

LoRaWAN的目标是广域网(WAN)应用程序,旨在为低功耗广域网提供各项功能,以支持物联网、M2M、智能城市和工业应用的低成本移动安全双向通信。其针对低功耗进行了优化,并支持拥有数百万台设备的大型网络,数据率是0.3 kbps到50 kbps。

标准: LoRaWAN
频率: 不同
里程: 2-5km (农村环境), 15km (城市环境)
数据率: 0.3-50 kbps

展望物联网的未来

许多需要物联网通信的新兴应用将依赖设备之间的有效信息传输,它们通常使用基于云端的应用程序。不过,在许多情况下,这将产生大量不必要的数据通信。使用一个更本地化的通信中心可以更有效地处理延迟。雾运算便是支持设备有效通讯的绝佳选择。

显而易见的是,无论使用哪种连接,传输数据至云端时总要产生带宽、存储、延迟和成本方面的消耗。因此,出现了一种趋势——使边缘节点/网关更加智能,而雾运算可以通过将云端扩展到事物所在的位置来实现这一目标。使用这样的模型具有多重优势,因为它可以降低成本和功率,生成超低延迟,进行实时分析,且使边缘具有高级安全性能。

为应用程序筛选正确的通信标准将是决定解决方案与其他设备和人员交互的关键点。通常,不存在简单的“一个标准适合所有”的解决方案,并且将需要多个无线通讯组合来确保解决方案能够与外部世界进行交互。在许多应用程序中,我们可以看到多个标准的整合,从整合6LoWPAN 的802.15.4,到蓝牙智能(LE)、蓝牙4.0、再到Wi-Fi。Imagination为多个通信标准提供IP,并且按各种不同的方式进行组合,以满足客户的特定需求。我们针对物联网的Ensigma Whisper系列连接IP支持多种标准,且它们的设计也将支持未来的各种标准。

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