物聯(lián)網中的幾大關鍵無線通信技術，你更看好誰

物聯(lián)網（IoT）這個概念于1999年首次出現(xiàn)，它描述了一種使用互聯(lián)網來改善人類生活的智能設備網絡。比如一輛裝配有各種傳感器的汽車，當輪胎壓力不足時，傳感器就會向你的手機發(fā)出提醒。除了運用大量的傳感器，物聯(lián)網還是各種無線互連技術的競技場，蜂窩、Wi-Fi、BLE、NB-IoT、LTE-M、LoRa、Zigbee、NFC，甚至衛(wèi)星通信等眾多無線技術在物聯(lián)網中，均發(fā)揮著關鍵作用。這些技術使得數十億物聯(lián)網設備將每天捕獲的海量數據傳輸到數據中心并加以處理，從而服務于千行百業(yè)。

物聯(lián)網中的連接技術

物聯(lián)網應用在本質上是關于設備或過程的遠程監(jiān)控和管理。沒有連接，物聯(lián)網就不可能存在，物聯(lián)網生態(tài)系統(tǒng)中的設備只有連接到其他設備才能工作。目前有很多種技術可以提供這種連接，如圖1所示。

圖1：不同應用下所需的連接技術

（圖源：Transforma Insights）

圖1中列舉的蜂窩、藍牙、Wi-Fi、Zigbee、LTE-M、LoRa、NFC等均是物聯(lián)網中最常見的通信技術和協(xié)議，這些物聯(lián)網通信協(xié)議滿足了絕大部分物聯(lián)網系統(tǒng)的特定功能要求。

蜂窩通信是一個由電信運營商部署且覆蓋范圍廣、可靠性和安全性都很高的無線網絡，用戶無需再建一個全新的網絡來連接物聯(lián)網項目中的各種設備。蜂窩連接通常是高度移動的物聯(lián)網系統(tǒng)的理想選擇。隨著5G的大規(guī)模部署，跨廣域連接的物聯(lián)網設備（也稱為“大規(guī)模物聯(lián)網”，massive IoT）將成為現(xiàn)實，將跨廣域連接數千個物聯(lián)網設備。高數據速率蜂窩連接是數據密集型物聯(lián)網應用、高速移動設備和實時視頻流的完美選擇。在超大規(guī)模蜂窩物聯(lián)網白皮書中給出了這樣一組數據，到2026年底，蜂窩物聯(lián)網僅占所有連接的22%，算下來約有59億設備將通過蜂窩網絡實現(xiàn)連接。原因也很明顯，即：雖然蜂窩網絡能夠發(fā)送大量數據，尤其是4G和5G網絡，但對于許多應用來說，它的成本和功耗太高了。

圖2：使用不同技術的物聯(lián)網設備的實際和預測數量

（圖源：IoT Analytics）

絕大多數物聯(lián)網連接使用的是短程無線技術，如Wi-Fi、藍牙、Z-wave和Zigbee等（如圖2）。其中，Wi-Fi連接是最受歡迎的物聯(lián)網通信協(xié)議之一，特別是考慮到局域網內家庭和工作環(huán)境中的Wi-Fi可用性，許多開發(fā)者都會優(yōu)先選擇它。因此，Wi-Fi在物聯(lián)網中的應用非常普遍，從智能電視、智能燈泡到智能冰箱等一系列智能設備，一切都可以使用Wi-Fi網絡輕松操作。在餐廳和商業(yè)場所很流行的數字標牌，Wi-Fi也是一個絕佳的選擇，因為這些商店中的絕大多數已經安裝了Wi-Fi路由器，執(zhí)行方案也非常簡單。

總的來說，對于物聯(lián)網生態(tài)系統(tǒng)僅限于特定區(qū)域的應用而言，如家庭或辦公室，Wi-Fi肯定是一個簡單而有效的選擇。Wi-Fi的優(yōu)點很明顯，包括在私人環(huán)境中保護網絡的能力以及對傳輸數據量沒有成本限制等。同樣，缺點也是眾所周知的，如可靠性略低、數據傳輸范圍有限、功耗較高等。

目前，許多家庭和企業(yè)最常使用的是Wi-Fi 5（802.11ac）或者更早一些的版本。Wi-Fi 5的最高數據傳輸速率可達6.9Gbps，這對于文件傳輸來說足夠了。但在企業(yè)市場，尤其是工業(yè)物聯(lián)網（IIoT）應用，如工業(yè)自動化、監(jiān)控和遠程控制、AR/VR以及其他需要高帶寬、低延遲和高連接可靠性的視頻類的應用，這個傳輸速率有時會顯得力不從心。現(xiàn)在，Wi-Fi 6已經從早期部署快速過渡到規(guī)模應用，網絡的速度和容量得到大幅提升，其吞吐量幾乎是Wi-Fi 5的四倍。令人欣喜的是，Wi-Fi技術的迭代從未停歇，Wi-Fi 6尚在推廣階段，Wi-Fi 7的規(guī)范就準備好了。雖然正式標準尚未發(fā)布，但用于接入點的Wi-Fi 7芯片已經面世。

藍牙是一種重要的短程無線通信協(xié)議，在計算機和消費品市場中占有重要一席，更是可穿戴產品中的關鍵技術。新的藍牙低功耗（BLE）是物聯(lián)網應用的重要通信協(xié)議，尤其適用于小型電池供電設備。支持藍牙的智能手表和健身追蹤儀可以將數據快速回傳，在智能手機上用戶就能很方便的查看相關信息。

Mesh協(xié)議（ZigBee、Z-Wave和Thread）在物聯(lián)網中同樣扮演著重要角色。Mesh網絡是通過多個路由器連接的多節(jié)點結構。這些連接往往是直接的、動態(tài)的，而不是基于固有的層次結構，有足夠的靈活性，能夠適應各種網絡條件，從而高效地傳輸數據。Mesh網絡的自我配置能力意味著它們可以從故障節(jié)點中快速恢復，而無需外部維護，因此非常適合企業(yè)物聯(lián)網應用，即使在大規(guī)模應用中也能保持高可靠性。與藍牙一樣，ZigBee、Z-Wave和Thread等Mesh協(xié)議也常用于消費品中。當您想要連接多個設備時，Mesh是一個很好的選擇，在智慧家庭、環(huán)境監(jiān)測等應用中，Mesh越來越受歡迎。

每種技術都有自己適用的應用場景。蜂窩是移動的設備的首選技術。Wi-Fi等短距離技術主要用于室內連接。低功耗廣域網（LPWAN），包括NB-IoT和LTE-M、LoRa等技術，專注于更具成本效益、在室內或地下位置表現(xiàn)更好，以及電池壽命長達10年的電池供電設備等物聯(lián)網應用，這些技術正在成為物聯(lián)網連接方案的焦點，也是我們今天要重點介紹的技術。

LPWAN：物聯(lián)網中重要的連接技術

在行業(yè)內，LPWAN技術堪比一項革命性的物聯(lián)網接入技術，它具有低功耗、長距離、低帶寬、網絡結構簡單、運營成本低等特點。與蜂窩、Wi-Fi、藍牙、ZigBee等技術相比，LPWAN真正實現(xiàn)了物聯(lián)網的低成本廣覆蓋。LoRaWAN、NB-IoT、LTE-M或RPMA等均被歸類為LPWAN。其中，NB-IoT和LoRa是LPWAN中的主要技術，也是大規(guī)模物聯(lián)網應用的首選技術。

#01 NB-IoT

窄帶物聯(lián)網（NB-IoT）是IoT領域的一項新興技術，它能夠以低成本實現(xiàn)廣泛的物聯(lián)網連接，拓寬了物聯(lián)網的潛在應用。根據愛立信Mobility Report November 2020的報告，接下來，NB-IoT/Cat-M（Cat-M1也被稱為LTE-M）將出現(xiàn)爆炸性增長，從2020年的近2億個聯(lián)網設備增長到2026年底的約26億個，占所有蜂窩物聯(lián)網連接的45%。

圖3：使用不同蜂窩技術的物聯(lián)網設備的實際和預測數量

（圖源：Ericsson）

高通公司是較早推出NB-IoT芯片的企業(yè)，早在2017年3月發(fā)布并于5月底量產的MDM9206芯片便是一款用于LTE物聯(lián)網且支持多模式的芯片，它集成了MTC、NB-IoT和GPRS三種技術。該芯片支持全球Cat-M1和Cat-NB1 LTE的所有頻段，集成GPS、GNOSS、北斗和伽利略全球導航衛(wèi)星定位服務，實現(xiàn)了低成本、低功耗、低帶寬、廣覆蓋的物聯(lián)網產品和服務。

圖4：高通公司MDM9206芯片

（圖源：高通）

緊隨高通，一年后，Nordic也向業(yè)界發(fā)布了其首款NB-IoT/LTE-M雙模芯片和模組nRF91系列，并且成為繼Altair、Sequans和高通公司之后第四家發(fā)布商用NB-IoT芯片的跨國公司。Nordic的nRF91系列是一款支持3GPP R13規(guī)范的LTE-M/NB-IoT雙模芯片，其中的nRF9160 SiP是業(yè)內率先采用Arm®Cortex®M-33 CPU內核的NB-IoT模塊，具有1MB閃存和256kB RAM板載內存。nRF9160 SiP還是首個將Arm當時最先進的Arm TrustZone和Arm CryptoCell安全功能融入互聯(lián)網級加密和應用保護中。這些技術都是設計用于高能效，并且在運算能力、功耗和安全性方面要求超高性能水平的嵌入式IoT產品。nRF9160 SiP模塊的尺寸僅為10 x 16 x 1mm，適用于非常緊湊的可穿戴消費產品和醫(yī)療設備，主要應用包括資產監(jiān)控和跟蹤、公用事業(yè)計量、工業(yè)和預測性維護、智慧城市和基礎設施、智慧農業(yè)和醫(yī)療等。

圖5：nRF91系列是一款支持3GPP R13規(guī)范的LTE-M/NB-IoT雙模芯片

（圖源：貿澤電子）

#02 LoRa

LoRa是主流的LPWAN通信技術，它是一種基于調頻擴頻技術的超長距離無線傳輸方案，充分考慮了距離和功耗，為用戶提供了電池壽命長、傳輸距離長的簡單傳感器網絡。LoRa傳輸信道的帶寬為157dB，理論傳輸距離可達15km，工作電流僅為10mA，待機電流為200nA，功耗非常低，有利于延長電池的使用壽命。LoRa的網絡頻段基本上是世界上的自由頻段，這些頻段是433Hz、868Hz、915Hz等。LoRa的終端節(jié)點是各種物聯(lián)網設備，例如智能抄表、智能電表、快遞跟蹤器、牧場管理器等。

據2022年12月初最新的市場消息，Semtech LoRa生態(tài)合作伙伴深圳矽遞科技攜手物聯(lián)網方案商Stal Data公司，在位于荷蘭的集約式養(yǎng)豬場部署了基于LoRaWAN協(xié)議的SenseCAP環(huán)境監(jiān)測設備，對養(yǎng)豬場內二氧化碳濃度、氨濃度，以及溫濕度等各種環(huán)境參數實現(xiàn)了遠程監(jiān)測，并通過在線直播實時展示豬群的生長情況，在大幅提升生產效率的同時，食品安全的透明與可追溯性也有了保證。目前，LoRa已經擁有成熟的生態(tài)鏈，預計未來幾年將保持快速發(fā)展。

LoRa是專為長距離和低功耗應用場景開發(fā)的無線通信技術，它在物聯(lián)網應用中的發(fā)展與每個LoRa終端設備中的LoRa模塊密不可分。Microchip公司的RN2483是一款基于LoRa技術且經過全面認證的868MHz模塊，在Sub-GHz頻帶內使用獨特的擴頻調制，以實現(xiàn)長距離、低功率和高網絡容量。該模塊的嵌入式LoRaWAN協(xié)議支持無縫連接到任何符合LoRaWAN的網絡基礎設施。RN2483還是一款率先通過LoRa聯(lián)盟認證測試的LoRa模塊，它通過了LoRaWAN 1.0.1規(guī)范的認證，確保設計者能夠快速輕松地將其終端設備集成到任何LoRaWAN網絡中。其中，RN2483A-I / RM104-LoRaWAN規(guī)范1.0.1，適用于A級應用；RN2483A-I / RM105-LoRaWAN規(guī)范1.0.2，支持A級和C級應用。

圖6：RN2483是首個通過LoRa聯(lián)盟認證測試的LoRa模塊

（圖源：Microchip）

STMicroelectronics的STM32WL MCU是STM32 RF產品系列中的一員，它在同一芯片上集成了通用微控制器和sub-GHz無線電。STM32WL MCU基于Arm Cortex‐M4和Cortex-M0+內核（可選單核或雙核），支持復合調制LoRa、FSK、MSK、BPSK，以完全開放的方式通過LoRaWAN、Sigfox、W-MBUS或任何其他合適的協(xié)議認證，以確保在無線應用中的靈活性，是業(yè)內較早推出的一款LoRa SoC。STM32WL MCU采用基于Semtech SX126x的sub-GHz無線電，以滿足工業(yè)和消費物聯(lián)網中各種LPWAN無線應用的需求。

圖7：STM32WL MCU是業(yè)內首款LoRa SoC

（圖源：ST）

結語

物聯(lián)網應用中有兩種主要類型的無線技術。一種是短程無線技術，如藍牙 / Wi-Fi / ZigBee / NFC，藍牙或NFC等個人區(qū)域網絡（PAN）的范圍為一米或兩米，用于連接耳機等個人設備，其中的NFC（近場通信）也是一種物聯(lián)網技術，它實現(xiàn)了電子設備之間的簡單和安全的通信，這些短程無線技術中部署極為廣泛的是Wi-Fi，幾乎普遍部署在住宅和企業(yè)環(huán)境中；另一種是構成廣域網的技術，如2G / 3G / 4G / 5G。每種技術的優(yōu)點和缺點都很明顯。LPWAN是一種面向物聯(lián)網遠距離、低功耗要求的物聯(lián)網網絡層技術。在LPWAN之前，在遠程和低功耗之間通常只有一種選擇。使用LPWAN后，人們無需在二者之間再做權衡了，LPWAN除了實現(xiàn)遠距離通信和超低功耗外，還可以節(jié)省額外的中繼成本。

LPWAN是物聯(lián)網不可或缺的一部分，它具有靈活和可擴展的特性，網絡規(guī)模可大可小，這是物聯(lián)網行業(yè)成長和探索階段所必需的，據稱也是極為適合物聯(lián)網的無線通信技術。根據Facts and Factors的預測，2021年全球物聯(lián)網設備市場規(guī)模為15.295億美元，預計到2028年將增長至27.2442億美元，預測期內復合年增長率（CAGR）約為10.10%。蓬勃發(fā)展的物聯(lián)網產業(yè)也一定會帶火其中的關鍵技術。目前，LPWAN中的兩大物聯(lián)網網絡NB-IoT和LoRa正在快速發(fā)展，未來前景可期。

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