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物联网中的几种主流无线技术,未来谁将占据主流?

来源:博观科技日期:2023-01-31 10:16:31

物联网(IoT)这个概念于1999年首次出现,它描述了一种使用互联网来改善人类生活的智能设备网络。在数字化实体世界中,物联网技术的应用相当广泛,市场潜能与商机庞大。


以物联网发展来说,2021年物联网已在数个主要领域落地成形,如个人医疗、设备资安、公共城市及商业制造等领域,其中又以城市、家庭、制造与医疗发展最积极。


物联网中的几种主流无线技术


物联网中的连接技术


物联网应用在本质上是关于设备或过程的远程监控和管理。没有连接,物联网就不可能存在,物联网生态系统中的设备只有连接到其他设备才能工作。目前有很多种技术可以提供这种连接,如图所示。


蜂窝、蓝牙、Wi-Fi、Zigbee、LTE-M、LoRa、NFC等均是物联网中最常见的通信技术和协议,这些物联网通信协议满足了绝大部分物联网系统的特定功能要求。


蜂窝通信是一个由电信运营商部署且覆盖范围广、可靠性和安全性都很高的无线网络,用户无需再建一个全新的网络来连接物联网项目中的各种设备。蜂窝连接通常是高度移动的物联网系统的理想选择。随着5G的大规模部署,跨广域连接的物联网设备(也称为“大规模物联网”,massive IoT)将成为现实,将跨广域连接数千个物联网设备。高数据速率蜂窝连接是数据密集型物联网应用、高速移动设备和实时视频流的完美选择。在超大规模蜂窝物联网白皮书中给出了这样一组数据,到2026年底,蜂窝物联网仅占所有连接的22%,算下来约有59亿设备将通过蜂窝网络实现连接。原因也很明显,即:虽然蜂窝网络能够发送大量数据,尤其是4G和5G网络,但对于许多应用来说,它的成本和功耗太高了。


WiFi基于IEEE802.11的通信协议, 是一种允许带WiFi功能的设备连接到一个无线局域网(WLAN)的技术,WiFi全称Wireless Fidelity。大多数WiFi版本工作在2.4GHz免许可频段,传输距离一百200米以内,具体取决于应用环境。流行的802.11n速度可达300Mbps,而更新的工作在5GHz ISM频段的802.11ac,速度甚至可以超过1.3Gbps。目前一些工厂已经覆盖了专用的WiFi网络,对于这类应用环境,推荐使用WiFi通信方式;WiFi通信具有成本低,速度快等优点。


蓝牙是一种重要的短程无线通信协议,在计算机和消费品市场中占有重要一席,更是可穿戴产品中的关键技术。新的蓝牙低功耗(BLE)是物联网应用的重要通信协议,尤其适用于小型电池供电设备。支持蓝牙的智能手表和健身追踪仪可以将数据快速回传,在智能手机上用户就能很方便的查看相关信息。


ZigBee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗局域网协议,是一种短距离、低功耗的、低成本无线自组网通讯技术。在国内ZigBee主要工作在2.4G频段,共16个信道,理论的通信速率是250kbps;不同于其它无线通信技术,ZigBee的网络拓扑结构主要有星型网络和网状网络,网络具备自组网及自愈能力,能够实现多级中继通信服务;它的特点是低功耗、自组网、节点数多。由于工作在2.4G频段,同时受限于发射功率,ZigBee的通信距离一般在100m以内;多级的无线中间通信,也会降低整个链路的通信速率。


LPWAN:物联网中重要的连接技术


在行业内,LPWAN技术堪比一项革命性的物联网接入技术,它具有低功耗、长距离、低带宽、网络结构简单、运营成本低等特点。与蜂窝、Wi-Fi、蓝牙、ZigBee等技术相比,LPWAN真正实现了物联网的低成本广覆盖。LoRaWAN、NB-IoT、LTE-M或RPMA等均被归类为LPWAN。其中,NB-IoT和LoRa是LPWAN中的主要技术,也是大规模物联网应用的首选技术。


NB-IoT


窄带物联网(NB-IoT)是IoT领域的一项新兴技术,它能够以低成本实现广泛的物联网连接,拓宽了物联网的潜在应用。根据爱立信Mobility Report November 2020的报告,接下来,NB-IoT/Cat-M(Cat-M1也被称为LTE-M)将出现爆炸性增长,从2020年的近2亿个联网设备增长到2026年底的约26亿个,占所有蜂窝物联网连接的45%。


高通公司是较早推出NB-IoT芯片的企业,早在2017年3月发布并于5月底量产的MDM9206芯片便是一款用于LTE物联网且支持多模式的芯片,它集成了MTC、NB-IoT和GPRS三种技术。该芯片支持全球Cat-M1和Cat-NB1 LTE的所有频段,集成GPS、GNOSS、北斗和伽利略全球导航卫星定位服务,实现了低成本、低功耗、低带宽、广覆盖的物联网产品和服务。


紧随高通,一年后,Nordic也向业界发布了其首款NB-IoT/LTE-M双模芯片和模组nRF91系列,并且成为继Altair、Sequans和高通公司之后第四家发布商用NB-IoT芯片的跨国公司。Nordic的nRF91系列是一款支持3GPP R13规范的LTE-M/NB-IoT双模芯片,其中的nRF9160 SiP是业内率先采用ArmCortexM-33 CPU内核的NB-IoT模块,具有1MB闪存和256kB RAM板载内存。nRF9160 SiP还是首个将Arm当时最先进的Arm TrustZone和Arm CryptoCell安全功能融入互联网级加密和应用保护中。这些技术都是设计用于高能效,并且在运算能力、功耗和安全性方面要求超高性能水平的嵌入式IoT产品。nRF9160 SiP模块的尺寸仅为10 x 16 x 1mm,适用于非常紧凑的可穿戴消费产品和医疗设备,主要应用包括资产监控和跟踪、公用事业计量、工业和预测性维护、智慧城市和基础设施、智慧农业和医疗等。


LoRa


LoRa是主流的LPWAN通信技术,它是一种基于调频扩频技术的超长距离无线传输方案,充分考虑了距离和功耗,为用户提供了电池寿命长、传输距离长的简单传感器网络。LoRa传输信道的带宽为157dB,理论传输距离可达15km,工作电流仅为10mA,待机电流为200nA,功耗非常低,有利于延长电池的使用寿命。LoRa的网络频段基本上是世界上的自由频段,这些频段是433Hz、868Hz、915Hz等。LoRa的终端节点是各种物联网设备,例如智能抄表、智能电表、快递跟踪器、牧场管理器等。


据2022年12月初最新的市场消息,Semtech LoRa生态合作伙伴深圳矽递科技携手物联网方案商Stal Data公司,在位于荷兰的集约式养猪场部署了基于LoRaWAN协议的SenseCAP环境监测设备,对养猪场内二氧化碳浓度、氨浓度,以及温湿度等各种环境参数实现了远程监测,并通过在线直播实时展示猪群的生长情况,在大幅提升生产效率的同时,食品安全的透明与可追溯性也有了保证。目前,LoRa已经拥有成熟的生态链,预计未来几年将保持快速发展。


LoRa是专为长距离和低功耗应用场景开发的无线通信技术,它在物联网应用中的发展与每个LoRa终端设备中的LoRa模块密不可分。Microchip公司的RN2483是一款基于LoRa技术且经过全面认证的868MHz模块,在Sub-GHz频带内使用独特的扩频调制,以实现长距离、低功率和高网络容量。该模块的嵌入式LoRaWAN协议支持无缝连接到任何符合LoRaWAN的网络基础设施。RN2483还是一款率先通过LoRa联盟认证测试的LoRa模块,它通过了LoRaWAN 1.0.1规范的认证,确保设计者能够快速轻松地将其终端设备集成到任何LoRaWAN网络中。其中,RN2483A-I / RM104-LoRaWAN规范1.0.1,适用于A级应用;RN2483A-I / RM105-LoRaWAN规范1.0.2,支持A级和C级应用。


物联网通讯技术发展趋势


TrendForce资深分析师曾伯楷指出,传统物联网多以感知层、网络层、系统层与应用层作为架构堆栈,受物联网设备连线技术与标准各异的影响,通讯技术成为物联网架构中相当重要的一环,从蜂巢式的4G、5G、LTE-M、NB-IoT,到非蜂巢式的LoRa、Sigfox、Wi-Fi、Wi-SUN等,从智慧城市、工厂、家庭乃至零售店面皆被广泛运用,范围也从地表拉升至太空,近期卫星通讯也渐成物联网重要的通讯技术之一。


短距离通讯及长距离通讯各有优劣势。常见的长距通讯多为低功耗广域网路技术(LPWAN),藉低成本、远距离、低功耗等通讯特性,在物联网诸多应用场景中成为最适切的通讯技术之一。短距离通讯则以智慧家庭或封闭场域的连线为主,包括行之有年的Wi-Fi、蓝牙等,成本、功耗较高,传输速度快而且流量大。


基本上,长、短距通讯因场景与需求较为分明,所以采用选择较为明确,主要挑战在于各技术皆能重叠应用的垂直领域,有诸多层面会影响厂商抉择,成本是最直接的考量因素,或者是来自于芯片商与标准制定话语权的角力,进一步延伸为联盟、生态圈等如何壮大,以吸引更多软硬件开发商采用。


结语


物联网应用中有两种主要类型的无线技术。一种是短程无线技术,如蓝牙 / Wi-Fi / ZigBee / NFC,蓝牙或NFC等个人区域网络(PAN)的范围为一米或两米,用于连接耳机等个人设备,其中的NFC(近场通信)也是一种物联网技术,它实现了电子设备之间的简单和安全的通信,这些短程无线技术中部署极为广泛的是Wi-Fi,几乎普遍部署在住宅和企业环境中;另一种是构成广域网的技术,如2G / 3G / 4G / 5G。每种技术的优点和缺点都很明显。LPWAN是一种面向物联网远距离、低功耗要求的物联网网络层技术。在LPWAN之前,在远程和低功耗之间通常只有一种选择。使用LPWAN后,人们无需在二者之间再做权衡了,LPWAN除了实现远距离通信和超低功耗外,还可以节省额外的中继成本。


LPWAN是物联网不可或缺的一部分,它具有灵活和可扩展的特性,网络规模可大可小,这是物联网行业成长和探索阶段所必需的,据称也是极为适合物联网的无线通信技术。根据Facts and Factors的预测,2021年全球物联网设备市场规模为15.295亿美元,预计到2028年将增长至27.2442亿美元,预测期内复合年增长率(CAGR)约为10.10%。蓬勃发展的物联网产业也一定会带火其中的关键技术。目前,LPWAN中的两大物联网网络NB-IoT和LoRa正在快速发展,未来前景可期。


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