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物联网连接技术详解

作者:深圳信立科技时间:2017-12-25来源:深圳信立科技有限公司点击数:425


目前物联网的连接技术理念主要存在有两个发展方向,一个是低功耗广域网络技术(即LPWAN),就是专为低带宽、低功耗、远距离、大量连接的物联网应用而设计,包含多种技术,如 NB-IoT、LoRa、Sigfox、eMTC 等。其中 NB-IoT 是 3GPP 推出的标准技术,经过多次讨论、已成为了目前被全球广泛接受的全新窄带物联网技术标准,可谓是技术演进和市场竞争的综合产物。另外一个是短距离无线网络方案,包含 WIFI、蓝牙、RFID、ZigBee、DECT 等多种技术,其中以蓝牙 5.0 的呼声最高。详细技术请见下图。


低功耗广域网络技术详解


LPWAN可分为两类:一类是工作于未授权频谱的LoRa、SigFox等技术;另一类是工作于授权频谱下,3GPP支持的2/3/4G蜂窝通信技术,比如EC-GSM、LTE Cat-m、NB-IoT等。

LoRa

LoRa并不是一个陌生的技术,它目前应用最为广泛的LPWAN网络技术之一,这一协议源于SemTech公司。

LoRa作为一种无线技术,基于Sub-GHz的频段使其更易以较低功耗远距离通信,可以使用电池供电或者其他能量收集的方式供电。较低的数据速率也延长了电池寿命和增加了网络的容量。 LoRa信号对建筑的穿透力也很强。 LoRa的这些技术特点更适合于低成本大规模的物联网部署。

在城市里,一般无线距离范围在1~2公里,郊区或空旷地区,无线距离会更远些。网络部署拓扑布局可以根据具体应用和和场景设计部署方案。 LoRa适合于通信频次低,数据量不大应用。一个网关可以连接多少个节点或终端设备,按照Semtech官方的解释:一个SX1301有8个通道,使用LoRaWAN协议每天可以接受约150万包数据。如果你的应用每小时发送一个包,那么一个SX1301网关可以处理大约62500个终端设备。


SigFox

SigFox也是商用化速度较快的一个LPWAN网络技术,它采用超窄带技术,使得网络设备消耗50微瓦的功率为双向单向通信或100微瓦。相比较而言,行动电话通信则需要约5000微瓦。这就意味着,接入Sigfox网络的设备每条消息最大的长度大约为12字节,并且每天每个设备所能发送的消息不能超过140条。再说说覆盖范围,该公司希望他们的网络可以覆盖至1000公里并且每个基站能够处理一百万个对象。

这一协议由SigFox公司拥有,其创始人是法国企业家Ludovic Le Moan,主要打造低攻耗、低成本的无线物联网专用网络。

2016年4月,SigFox携手Thinxtra在澳大利亚和纽西兰部署物联网网络,从而为成千上万待联网的传感器提供全球性、效益高、节能的通信解决方案。通过本次合作SigFox也将部署全球网络的触角伸到了到亚太地区,为该公司在亚太地区部署自己的网络树立了一块里程碑,标志着该公司2016年在30多个国家推出服务跨出了重要的一步。

Sigfox与模块制造商、设备制造商、晶片制造商、物联网平台提供商等产业链上的众多企业都建立了合作关系,如:与芯科实验室的合作,将该实验室的EZRadioPRO无线收发器和UNB技术相结合;与Atmel在远程物联网连接领域也开展了合作,通过了SIGFOXReadyTM认证的ATA8520器件,是首款通过该认证的片上系统(SoC)解决方案;携手TI共同打造高成本效益、远程、低功耗物联网连接,让TI的CC1120 Sub-1GHz RF收发器在搭配UNB技术后提供最远范围的连通性及强大的抗干扰性;

同基础设施提供商Arqiva合作启用了第一个站点。


NB-IoT

2015年8月,3GPP RAN开始立项研究窄带无线接入全新的空口技术,称为Clean Slate CIoT,这一Clean Slate方案覆盖了NB-CIoT。

NB-CIoT是由华为、高通和Neul联合提出,NB-LTE是由爱立信、诺基亚等厂家提出。

NB-CIoT提出了全新的空口技术,相对来说在现有LTE网络上改动较大,但NB-CIoT是提出的6大Clean Slate技术中,唯一一个满足在TSG GERAN #67会议中提出的5大目标(提升室内覆盖性能、支持大规模设备连接、减小设备复杂性、减小功耗和时延)的蜂窝物联网技术,特别是NB-CIoT的通信模块成本低于GSM模块和NB-LTE模块。

NB-LTE更倾向于与现有LTE兼容,其主要优势在于容易部署。

最终,在2015年9月的RAN #69会议上经过激烈撕逼后协商统一,NB-IoT可认为是NB-CIoT和NB-LTE的融合。

这里引用一段3GPP RAN会议报告关于蜂窝物联网技术的描述:

物联网(Internet of Thing, IoT)是未来重要技术,3GPP在R12/R13虽然也有MTC(Machine Type Communication)相关技术,但其基本做法是在既有LTE技术与架构上进行优化,并非针对物联网特性进行全新的设计。相对于MTC技术优化的做法,蜂窝物联网(Cellular Internet of Thing, CIoT)技术项目建议针对物联网特性全新设计,不一定要相容于既有的LTE技术框架。


Weightless

Weightless实际上包括三个协议,初始协议是Weightless-W,它是为充分利用广电白频谱(TVWS),但全球并未着眼于开发空白频谱的可用性,因此该协议一直被搁置直到频道可用的时候。

另一协议Weightless-N作为Weightless-W的补充,是一个非授权频谱下窄带网络协议,源于NWave技术,今年五月发布,瞄准在高达7Km的距离内以低速率为物联网设备到基站提供低成本的单向通讯。 Weightless特别兴趣小组(SIG)之前即针对Weightless-N标准展开一连串制定工作,目前已公布Weightless 1.0版架构,是以低功耗、大范围网路覆盖为目标基础所制定,使用sub-GHz频谱和超窄频段(Ultra Narrow Band)技术,期能满足更多物联网应用。

而随着物联网应用即将大规模商业化,小编认为,短距无线仍然是连接主流。


短距离无线网络技术


争夺短距通信标准 ANT、蓝牙、ZigBee较劲

无线电(Radio)射频(RFID)技术,不像光那样会受到障碍物影响,是当今应用最广泛的无线传输技术。发射方透过天线射出电磁波,接收方透过接收器与解调动作,即可收讯,早期大量应用在广播、电视、通信等用途。

后来在数字通讯应用上,除了以IEEE 802.11为基础的Wi-Fi、WLAN传输标准外,在短距离通讯部份,则有IEEE 802.15.1的蓝牙、ANT、ZigBee技术,皆采2.4GHz的ISM band (工业/科学/医学专属频段)作为标准。

蓝牙技术最早由易立信(Ericsson)于1994年发起,主要针对手机和配件(如耳机)间进行低功耗、低成本的无线通信联机。后来蓝牙协会成立,在各大ICT厂商的推广之下,如今蓝牙已成为短距传输的主流标准之一,广泛应用于手机、平板、游戏机、耳机、立体声音频串流、汽车、计算机,与穿戴式装置等产品。蓝牙主攻个人局域网络(PAN),“传统蓝牙”标准主要作为讯息传递、装置联机为目标,传输速度为1~3Mbps,距离10米或100米;另“高速蓝牙”(Bluetooth HS)主攻数据交换与传输,速度为传统蓝牙8倍;至于“低耗电蓝牙”(BLE,Bluetooth Low Energy,亦称作Bluetooth Smart)则是针对穿戴式装置(如手表、体育健身/医疗保健产品)或工业自动化之低耗电需求,于2010年所公布的分支标准,距离在30米以内,传输速度为1Mbps。


ANT Wireless无线传输技术

是由Dynastream Innovations公司所主导。ANT主打PAN应用,且基于无线感应网络之短距传输需求而制定的标准,传输速度为20Kbps,采自适应同步网络架构,确保各装置在传输时不受其他讯号干扰。


ZigBee协议

于2005年开始崭露头角,同样也基于PAN应用,以IEEE 802.15.4标准规范之无线网状网络节点为架构,具备低成本、低功耗特性,传输速度在250Kbps,距离10~20公尺,广泛应用在远程监控/遥控(如家用灯控),自动化(家庭、建筑、工厂等)以及无线感测网络(WSN)产品中。其网络拓扑可支持Star(星状)、Cluster Tree(簇树状)、Mesh(网状)型


WSN专用的物联网网络协议

无线感测网络(WSN)之节点(Node)间传输,除采用ZigBee协议,另也有采用ISA100、WirelessHART、WIA-PA、6LowPAN等嵌入式产品专用的通讯协议。以IETF (Internet Engineering Task Force)制定的6LoWPAN开放标准,支持IPv6,让路由器可休眠,免网关设置,适合WSN低规、低耗的客制化环境,故也广被ZigBee IP、ETSI M2M、ISA 100.11a、BLE等无线网络技术所采纳。


新一代的无线传输技术

其他无线传输技术中,像Sony在2008年发表的TransferJet,就是以近场通讯(NFC)结合超宽带(UWB)的基础,采用电感磁场技术,两个装置只要在相距几公分内,数据传输率可高达375Mbps;若采用4.48GHz频带,传输速率更高达560Mbps,能应用在手机、游戏机、数字相机、摄录像机、计算机、电视、与打印机等产品。

TransferJet于2013年开始崭露头角,并有一系列外围产品上市。TransferJet协会最近也与SDA协会合作,共同推广TransferJet的应用。东芝更推出microSDIO的TransferJet无线网卡、与USB/microUSB网络卡,以做为手机超高速传输之用。

另外值得一提、尚在研发阶段的无线传输技术,就是Li-Fi (灯光上网技术,Light Fidelity),跟红外线类似的光通讯技术,但Li-Fi是利用可见光(如LED灯)来做沟通,速度号称比传统Wi-Fi快10倍以上。由于灯光也是一种电磁波,加上灯光的频率较一般Wi-Fi讯号高出10万倍,肉眼难以察觉,因此只要让LED灯泡快速地闪烁,搭配专属的Li-Fi接收器,即可做为数据传递的目的。

该技术最早是由德国物理学家Harald Haas博士,于2011年10月提出可见光通讯(VLC;Visible Light Communication)的概念,同时成立Li-Fi Consortium联盟推广其应用。只是后来该技术被上海复旦大学研究成功,于2013年10月发表成功案例,能在单一LED灯源下提供4台装置同时上网、互传数据,平均速度达150Mbps。


小结

物联网平台是物联网整体解决方案的核心, 越来越多的云计算厂商、物联网解决方案提供商通过外延并购、合作 ,将物联网平台商纳入自身生态系统以形成物联网解决方案。而在物联网平台中,连接技术又占据着不可替代的地位。在将来,短距无线连接依然会是主流。

信立科技多年从事物联网基础无线传感产品,目前各产品实现NB-IoT无线技术连接。