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物联网无线通信技术盘点 蓝牙/WiFi/Zigbee谁能成主流?

2019年10月31日 文章来源:网络整理 热度:173℃ 作者:刘英

  物联网,万物互联。在这个时代下,越来越多的物体将被连接到互联网,并最终实现到主控端/云端的连接。这些连接,我们可采用多种通信链路予以实现。

  然而,设备本身一般通过无线方式连接到物联网系统。这种无线连接是系统中极为重要或最为薄弱的链路。因此,选择一种能够匹配设备及其周边环境的无线技术很重要。本文介绍了最有可能为新设计采用的几种无线候选技术。

  设备通过无线方式链接到网关是一种典型的物联网连接场景(图)。网关是通过公用宽带电缆或DSL调制解调器连接互联网的接口,然后再通过互联网服务提供商连 接到互联网。在另外一种被称为机到机(M2M)的应用场景中,设备连接会经过一家蜂窝运营商,然后再到另一家运营商,或直接到互联网。

  

物联网无线通信技术盘点 蓝牙/WiFi/Zigbee谁能成主流?

  图:针对物联网(a)和M2M(b)应用的典型无线连接场景

  在选择无线技术时必须详细考察许多设计因素:

  ·设备的数据速率:视频流,测量每分钟的温度,或之间的其他参数。

  ·到网关的范围或距离:房间内几英寸的距离,或农村地区超过1英里的范围。

  · 环境:工厂中的危险环境,暴露在天气中的室外环境,来自电子设备的噪声或电磁干扰等。

  ·需要加密或认证:对数据安全性有什么要求?

  ·功耗:电池寿命,能效,可能需要连接交流电。

  ·容量:联网设备的数量。

  · 服务质量和可靠性。

  · 网络拓扑:星形,网状,或其它拓扑。

  ·单工或双工:单向还是双向通信。

  ·合适和可用的频谱:许可还是免许可。

  ·可用的IC、模块和设备。

  · 成本:设计、制造或互联网接入服务费用。

  · 开发平台:需要操作系统吗?需要哪些其它软件?

  ·互联网接入:蜂窝、数字用户线路(DSL)、电缆、卫星。

  · 可用标准的许可条件。

  2G/3G蜂窝

  一般被称为机到机(M2M)的许多使用案例都类似于物联网。多家供应商提供蜂窝电话模块用于嵌入到其它产品,而大多数主要的蜂窝运营商都在标准许可频谱上提供M2M连接服务。虽然像GSM/GPRS/EDGE等2G技术很流行,但一些运营商已经有计划逐步淘汰2G业务。

  然而,大多数网络仍然支持诸如WCDMA和CDMA2000等3G技术,其数据速率高达每秒几兆比特。范围是指到蜂窝站的距离,可以长达几公里。蜂窝连接显然是一种选择,但它比后文介绍的其它方案更昂贵些。

  802.15.4

  802.15.4以短距离、低中数据速率和低功耗用例为目标,是后文提到的几种其它标准的基础。它的主要工作频谱是2.4GHz工业、科学和医疗(ISM)免许可频段,有时候也用到902MHz至928MHz和868MHz频段。

  802.15.4标准为PHY和MAC网络层提供基于数据包的协议。其它标准都是以此为基础增加更多的层,从而提供增强的网络功能和性能。

  6LoWPAN地址节点

  国际互联网工程任务组(IETF)的6LoWPAN是基于低功耗无线个人区域网的互联网协议第6版(IPv6)的简称。

  这个标准最初的目标是802.15.4,后来也被Bluetooth Smart和低功耗HaLow Wi-Fi所采用。具体来说,6LoWPAN定义了使用封装和头部压缩技术将IPv6数据包适配进其它协议帧的方式。

  蓝牙

  也许使用最广泛的短距离无线技术是工作在2.4GHz ISM频段的蓝牙(BT)。几种不同的版本提供多种不同的数据速率、功率电平和范围。其基本的工作原理是采用不同调制方法的跳频扩展频谱(FHSS)技术。

  最 新版本的蓝牙是Bluetooth Smart或版本4.1,也称为低功耗蓝牙(BLE)。这个配置使用缩短了的数据包,最大速率是1Mb/s,采用GFSK调制。它的最大好处是优异的低功 耗特性。发送功率是10mW,它的距离可达100米。针对不同的用途有多种软件配置文件,而其互操作性认证可有效做到完全兼容。

  LoRa

  LoRa(长 距离)是由Semtech公司开发的一种技术,典型工作频率在美国是915MHz,在欧洲是868MHz,在亚洲是433MHz。LoRa的物理层 (PHY)使用了一种独特形式的带前向纠错(FEC)的调频啁啾扩频技术。这种扩频调制允许多个无线电设备使用相同的频段,只要每台设备采用不同的啁啾和 数据速率就可以了。其典型范围是2km至5km,最长距离可达15km,具体取决于所处的位置和天线特性。

  LTE Cat 0/1

  LTE是长期演进的缩写,是目前第4代蜂窝技术。

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