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界定IoT时代的新兴和不断演变的无线技术

2019-05-16
贸泽电子Mark Patrick
关键词: 物联网 蓝牙 Thread LORA 5G

随着物联网(IoT)应用的不断扩展,支持这些应用的无线技术也在不断涌现和演变。由于相关的无线技术有很多可能选项,而且还在不断更新和进一步添加,因而很难跟踪这些无线技术。本文将全面概述与物联网相关的各种无线技术,包括一些新兴的和已有的协议。

蓝牙信标

蓝牙5于2016年12月推出,它采用蓝牙低功耗(BLE)模式,并引入了可选的新接口,将之前的最高数据速率翻倍至2Mbps。其更快的数据传输素率意味着在低能耗模式下需要较高的传输功率(+20dB),但因为数据传输时间要少得多,总体上仍然节省了功耗。使用2Mbps模式可能会缩小传输距离,但由于蓝牙5的理论作用范围大约是蓝牙4.2 BLE(最高为近244米)的四倍,因此它仍然是一项重大改进。

蓝牙5标准现在已经使信标性能有了显著提升。以前数据有效负载限制为31字节,但蓝牙5支持最高255字节/数据包的有效负载,这意味着信标可以在单个广播消息中发送更多信息,因此用户的设备不需要一个app或Internet连接即可访问。蓝牙5的广播效率提高了八倍,能够支持更多设备。因此,信标可以用于覆盖整个建筑物,能够用于家庭和商业自动化系统。蓝牙5还可以支持质量稍低的视频和音频流,以及高容量数据(例如用于传输图像)的短脉冲串。

Thread网络

Thread网络的构建旨在支持强大的物联网基础设施,并成为智能家居的标准。然而,这种低功耗网络技术的进展有些不够连贯。Thread Group成立于2014年,吸引了一些大牌厂商加入,但并没有获得相应的市场推动力。去年8月,苹果公司(Apple)加入了该组织,人们普遍认为苹果公司将在其HomeKit配件和控制设备中采用Thread技术。但是,目前还没有关于这方面的消息。

Thread网络技术优点是,如果一个节点发生故障,其他各个节点仍然可以相互连接。此外,它可以通过多个跳数(hops)支持超过250个设备,并且功率效率如此之高,使用AA电池运行的设备可以持续工作多年。这意味着由电池供电设备组成的Thread网络在断电期间仍然可以正常工作,对于安全和监控应用来说是一个重要优势。这还由于所有Thread传输都是端到端加密,适用于低功耗设备。虽然ZigBee和Z-Wave也采用了AES加密,但Thread还采用了银行级公钥加密来备份。

在1月份,ZigBee联盟和Thread Group完成了Dotdot 1.0规范和Dotdot-over-Thread认证计划,使两种相互竞争的网络技术可以实现互操作,并加速这两种技术在目前处于分段化的家庭自动化市场中的应用。之后在2月份,Nest成为Alphabet的第一个“其他投注”,将其重新纳入谷歌(Google),成为制造Pixel智能手机和Google Home扬声器硬件部门的一部分。该部门负责人Rick Osterloh谈到这一举动时表示:“我们的目标是增强Nest的愿景使命:用Google的人工智能和核心助理(Assistant at the core)构建一个更加周到的家庭。”

Thread的使命是使设备能够在没有类似Google智能助理(Google Assistant)等中间设备的情况下相互通信。尽管如此,它很可能仍然是其中的一部分,因为它能够提供很多东西,而Nest(提供直接支持Thread的少数几种产品中的两种)使用Thread、Wi-Fi和蓝牙的组合与设备进行通信。确实,只有极少数产品内置有Thread,这是设计所致,因为任何基于802.15.4协议的设备都可以下载软件以获得对它的支持,因此它不一定是障碍。

LoRaWAN

LoRa代表“远程”,与大多数开创性的非蜂窝低功耗广域网(LPWAN)协议一样,LoRaWAN运行在工业,科学和医疗(ISM)频段。这些频率是国际上为这些领域的组织机构保留,可以免费使用,并且可以避免移动通信网络的干扰。典型应用包括资产跟踪、供应链、农业、智能城市、智能建筑、家庭自动化和智能计量等等。安装不需要布线或电源,因为这些设备采用电池运行,而且能够持续运行长达二十年。

LoRa联盟负责更新和定义LoRaWAN协议,以确保设备和网络之间的互操作性,它是一个非营利性的协作机构,拥有500多名成员单位。该联盟声称,LoRa部署在2018年增加了60%以上,去年安装了近8,000万个支持LoRa的终端节点。

由于LoRaWANs可以穿透密集的建筑材料,因而可广泛应用在建筑物内,这种信号能够进入地下室和其他地下场所,并且传输范围可达10km。完整的AES-128加密使其比Wi-Fi更安全,并且凭借单个网关即可覆盖整个建筑物或地下停车场的整个物联网系统,因而需要的网关数量也比Wi-Fi更少。LoRaWAN通过编码数据包依赖于不同的频率信道和数据速率,因此消息不太可能发生冲突,从而增加了网关容量。一个网关可以支持数百万条消息,使LoRaWAN适合公共网络运营商同时关照许多客户。

批评人士称,LoRaWAN并不是一个真正的开放系统,因为其堆栈在很大程度上依赖于Semtech的芯片组(该公司于2012年从法国公司Cycleo购买了该技术)。由于蜂窝物联网技术已经开始进入市场,许多已有的LPWAN协议(例如LoRa和Sigfox等)因其专有性质可能在较长时期内相悖。但它们是由电信公司开发,因此具有这些公司(及其广泛的全球基础设施)的实力。

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表1:物联网行业中各种无线协议概述。

 

LTE-M

LTE(Cat-M1)通常简称为LTE-M,它是第一个为低功耗、低成本物联网应用而设计的基于LTE的协议,LTE-M采用1.4 MHz(而不是20MHz)频谱,平均上传速度介于200kpbs和400kpbs之间。使用20dBm的发射功率,电池可以持续使用十年。在省电模式(PSM)下,节点可以“深度睡眠”,但仍在网络中注册,或者“定期唤醒”,这种模式称为扩展的非连续接收(EDRX)。

目前有大量LTE-M工业物联网使用案例正在被开发,包括联网车辆、车队/资产管理、智能运货平台(smart pallets)、集装箱监控和智能货架等等。在某些情况下,设备每天传输多次数据,而在另一些情况下则只传输一次。对于某些应用,只有在达到某个阈值(如预定义的温度)时,设备才会“唤醒”。

终端设备在没有网关的情况下能够连接到网络,从而降低了成本。此外,运营商不必更换天线,只需更新软件即可。终端设备与“完全的”LTE设备相比,其价格更低,因为芯片制造成本更低,仅仅需要支持带宽更窄的半双工。服务成本也比较便宜。这可以归结为低比特率,而且周期性通信占用的网络容量很小。另一个部署选项可能是采用蓝牙等短程连接,以用于LTE-M回程上的资产追踪。

NB-IoT

NB-IoT(Cat-M2)的目标与LTE-M类似,但使用低带宽信号在GSM和LTE网络内通过利用任何给定时间未使用的带宽进行通信。可能的应用包括智能停车、动物跟踪、智能计量、零售、自动售货机、火灾传感器和智能照明,以及监测污染、土壤酸度和湿度水平。LTE-M相对于NB物联网的一个优势是支持更高的数据速率和更大的可移动性。此外,它还可以通过网络传输语音。也就是说,它需要更大的带宽和更高的成本。

5G的未来

与基于非蜂窝网络技术的先锋相比,LTE-M和NB-IoT起步较晚,但进展很快。GSMA声称,蜂窝式LPWAN技术是能够保证未来的5G通信,应被视为“网络的网络”,而不应该像前几代移动技术一样,成为一个全新的覆盖技术。LTE-M和NB-IoT将支持5G并与之共存。

将全球标准化蜂窝式LPWAN和5G技术结合起来提供服务是一种很好的营销策略,能够加强持续性的概念,而且这些网络将在未来几十年内存在。对于专有技术来说,这是一个很难反驳的论点。

ABI Research估计,到2023年,在智能电表和资产追踪器(两者都不需要5G)市场需求的推动下,全球蜂窝和非蜂窝LPWAN连接将以53%的复合年增长率(CAGR)增长。从2023年起,预计非蜂窝技术LPWAN的市场占有率将下降,NB-IoT和LTE-M约占连接的55%。即便如此,假设对非蜂窝技术没有突然、大规模的信心崩溃,它们很可能与蜂窝物联网网络一起运行多年。

先进蜂窝技术对物联网的影响难以准确预测。许多物联网应用不需要与5G相关的一些属性和(至少在最初阶段)额外成本。自动驾驶车辆等其他应用将取决于超低延迟和通过网络切片带来的灵活性。制定可行的商业应用将是至关重要的,而且,与以往的技术领域一样,现实需要一段时间才能赶上这种商业炒作。