物聯(lián)網(wǎng)中的幾大關(guān)鍵無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，你更看好誰(shuí)

物聯(lián)網(wǎng)（IoT）這個(gè)概念于1999年首次出現，它描述了一種使用互聯(lián)網(wǎng)來(lái)改善人類(lèi)生活的智能設備網(wǎng)絡(luò )。比如一輛裝配有各種傳感器的汽車(chē)，當輪胎壓力不足時(shí)，傳感器就會(huì )向你的手機發(fā)出提醒。除了運用大量的傳感器，物聯(lián)網(wǎng)還是各種無(wú)線(xiàn)互連技術(shù)的競技場(chǎng)，蜂窩、Wi-Fi、BLE、NB-IoT、LTE-M、LoRa、Zigbee、NFC，甚至衛星通信等眾多無(wú)線(xiàn)技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)中，均發(fā)揮著(zhù)關(guān)鍵作用。這些技術(shù)使得數十億物聯(lián)網(wǎng)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(wù)于千行百業(yè)。

物聯(lián)網(wǎng)中的連接技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)應用在本質(zhì)上是關(guān)于設備或過(guò)程的遠程監控和管理。沒(méi)有連接，物聯(lián)網(wǎng)就不可能存在，物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)系統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(shù)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(shù)

（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(wǎng)中最常見(jiàn)的通信技術(shù)和協(xié)議，這些物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議滿(mǎn)足了絕大部分物聯(lián)網(wǎng)系統的特定功能要求。

蜂窩通信是一個(gè)由電信運營(yíng)商部署且覆蓋范圍廣、可靠性和安全性都很高的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，用戶(hù)無(wú)需再建一個(gè)全新的網(wǎng)絡(luò )來(lái)連接物聯(lián)網(wǎng)項目中的各種設備。蜂窩連接通常是高度移動(dòng)的物聯(lián)網(wǎng)系統的理想選擇。隨著(zhù)5G的大規模部署，跨廣域連接的物聯(lián)網(wǎng)設備（也稱(chēng)為“大規模物聯(lián)網(wǎng)”，massive IoT）將成為現實(shí)，將跨廣域連接數千個(gè)物聯(lián)網(wǎng)設備。高數據速率蜂窩連接是數據密集型物聯(lián)網(wǎng)應用、高速移動(dòng)設備和實(shí)時(shí)視頻流的完美選擇。在超大規模蜂窩物聯(lián)網(wǎng)白皮書(shū)中給出了這樣一組數據，到2026年底，蜂窩物聯(lián)網(wǎng)僅占所有連接的22%，算下來(lái)約有59億設備將通過(guò)蜂窩網(wǎng)絡(luò )實(shí)現連接。原因也很明顯，即：雖然蜂窩網(wǎng)絡(luò )能夠發(fā)送大量數據，尤其是4G和5G網(wǎng)絡(luò )，但對于許多應用來(lái)說(shuō)，它的成本和功耗太高了。

圖2：使用不同技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)設備的實(shí)際和預測數量

（圖源：IoT Analytics）

絕大多數物聯(lián)網(wǎng)連接使用的是短程無(wú)線(xiàn)技術(shù)，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(wǎng)通信協(xié)議之一，特別是考慮到局域網(wǎng)內家庭和工作環(huán)境中的Wi-Fi可用性，許多開(kāi)發(fā)者都會(huì )優(yōu)先選擇它。因此，Wi-Fi在物聯(lián)網(wǎng)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(wǎng)絡(luò )輕松操作。在餐廳和商業(yè)場(chǎng)所很流行的數字標牌，Wi-Fi也是一個(gè)絕佳的選擇，因為這些商店中的絕大多數已經(jīng)安裝了Wi-Fi路由器，執行方案也非常簡(jiǎn)單。

總的來(lái)說(shuō)，對于物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)系統僅限于特定區域的應用而言，如家庭或辦公室，Wi-Fi肯定是一個(gè)簡(jiǎn)單而有效的選擇。Wi-Fi的優(yōu)點(diǎn)很明顯，包括在私人環(huán)境中保護網(wǎng)絡(luò )的能力以及對傳輸數據量沒(méi)有成本限制等。同樣，缺點(diǎn)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(lái)說(shuō)足夠了。但在企業(yè)市場(chǎng)，尤其是工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）應用，如工業(yè)自動(dòng)化、監控和遠程控制、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(lèi)的應用，這個(gè)傳輸速率有時(shí)會(huì )顯得力不從心?，F在，Wi-Fi 6已經(jīng)從早期部署快速過(guò)渡到規模應用，網(wǎng)絡(luò )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(shù)的迭代從未停歇，Wi-Fi 6尚在推廣階段，Wi-Fi 7的規范就準備好了。雖然正式標準尚未發(fā)布，但用于接入點(diǎn)的Wi-Fi 7芯片已經(jīng)面世。

藍牙是一種重要的短程無(wú)線(xiàn)通信協(xié)議，在計算機和消費品市場(chǎng)中占有重要一席，更是可穿戴產(chǎn)品中的關(guān)鍵技術(shù)。新的藍牙低功耗（BLE）是物聯(lián)網(wǎng)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(hù)就能很方便的查看相關(guān)信息。

Mesh協(xié)議（ZigBee、Z-Wave和Thread）在物聯(lián)網(wǎng)中同樣扮演著(zhù)重要角色。Mesh網(wǎng)絡(luò )是通過(guò)多個(gè)路由器連接的多節點(diǎn)結構。這些連接往往是直接的、動(dòng)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(wǎng)絡(luò )條件，從而高效地傳輸數據。Mesh網(wǎng)絡(luò )的自我配置能力意味著(zhù)它們可以從故障節點(diǎn)中快速恢復，而無(wú)需外部維護，因此非常適合企業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應用，即使在大規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(gè)設備時(shí)，Mesh是一個(gè)很好的選擇，在智慧家庭、環(huán)境監測等應用中，Mesh越來(lái)越受歡迎。

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

LPWAN：物聯(lián)網(wǎng)中重要的連接技術(shù)

在行業(yè)內，LPWAN技術(shù)堪比一項革命性的物聯(lián)網(wǎng)接入技術(shù)，它具有低功耗、長(cháng)距離、低帶寬、網(wǎng)絡(luò )結構簡(jiǎn)單、運營(yíng)成本低等特點(diǎn)。與蜂窩、Wi-Fi、藍牙、ZigBee等技術(shù)相比，LPWAN真正實(shí)現了物聯(lián)網(wǎng)的低成本廣覆蓋。LoRaWAN、NB-IoT、LTE-M或RPMA等均被歸類(lèi)為L(cháng)PWAN。其中，NB-IoT和LoRa是LPWAN中的主要技術(shù)，也是大規模物聯(lián)網(wǎng)應用的首選技術(shù)。

#01 NB-IoT

窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）是IoT領(lǐng)域的一項新興技術(shù)，它能夠以低成本實(shí)現廣泛的物聯(lián)網(wǎng)連接，拓寬了物聯(lián)網(wǎng)的潛在應用。根據愛(ài)立信Mobility Report November 2020的報告，接下來(lái)，NB-IoT/Cat-M（Cat-M1也被稱(chēng)為L(cháng)TE-M）將出現爆炸性增長(cháng)，從2020年的近2億個(gè)聯(lián)網(wǎng)設備增長(cháng)到2026年底的約26億個(gè)，占所有蜂窩物聯(lián)網(wǎng)連接的45%。

圖3：使用不同蜂窩技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)設備的實(shí)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(chǎn)的MDM9206芯片便是一款用于LTE物聯(lián)網(wǎng)且支持多模式的芯片，它集成了MTC、NB-IoT和GPRS三種技術(shù)。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星定位服務(wù)，實(shí)現了低成本、低功耗、低帶寬、廣覆蓋的物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品和服務(wù)。

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(gè)將Arm當時(shí)最先進(jìn)的Arm TrustZone和Arm CryptoCell安全功能融入互聯(lián)網(wǎng)級加密和應用保護中。這些技術(shù)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(chǎn)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(chǎn)品和醫療設備，主要應用包括資產(chǎn)監控和跟蹤、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)和醫療等。

圖5：nRF91系列是一款支持3GPP R13規范的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(shù)，它是一種基于調頻擴頻技術(shù)的超長(cháng)距離無(wú)線(xiàn)傳輸方案，充分考慮了距離和功耗，為用戶(hù)提供了電池壽命長(cháng)、傳輸距離長(cháng)的簡(jiǎn)單傳感器網(wǎng)絡(luò )。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(cháng)電池的使用壽命。LoRa的網(wǎng)絡(luò )頻段基本上是世界上的自由頻段，這些頻段是433Hz、868Hz、915Hz等。LoRa的終端節點(diǎn)是各種物聯(lián)網(wǎng)設備，例如智能抄表、智能電表、快遞跟蹤器、牧場(chǎng)管理器等。

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

LoRa是專(zhuān)為長(cháng)距離和低功耗應用場(chǎng)景開(kāi)發(fā)的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，它在物聯(lián)網(wǎng)應用中的發(fā)展與每個(gè)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(shù)且經(jīng)過(guò)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(shí)現長(cháng)距離、低功率和高網(wǎng)絡(luò )容量。該模塊的嵌入式LoRaWAN協(xié)議支持無(wú)縫連接到任何符合LoRaWAN的網(wǎng)絡(luò )基礎設施。RN2483還是一款率先通過(guò)LoRa聯(lián)盟認證測試的LoRa模塊，它通過(guò)了LoRaWAN 1.0.1規范的認證，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(wǎng)絡(luò )中。其中，RN2483A-I / RM104-LoRaWAN規范1.0.1，適用于A(yíng)級應用；RN2483A-I / RM105-LoRaWAN規范1.0.2，支持A級和C級應用。

圖6：RN2483是首個(gè)通過(guò)LoRa聯(lián)盟認證測試的LoRa模塊

（圖源：Microchip）

STMicroelectronics的STM32WL MCU是STM32 RF產(chǎn)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(wú)線(xiàn)電。STM32WL MCU基于A(yíng)rm 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(kāi)放的方式通過(guò)LoRaWAN、Sigfox、W-MBUS或任何其他合適的協(xié)議認證，以確保在無(wú)線(xiàn)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(wú)線(xiàn)電，以滿(mǎn)足工業(yè)和消費物聯(lián)網(wǎng)中各種LPWAN無(wú)線(xiàn)應用的需求。

圖7：STM32WL MCU是業(yè)內首款LoRa SoC

（圖源：ST）

結語(yǔ)

物聯(lián)網(wǎng)應用中有兩種主要類(lèi)型的無(wú)線(xiàn)技術(shù)。一種是短程無(wú)線(xiàn)技術(shù)，如藍牙 / Wi-Fi / ZigBee / NFC，藍牙或NFC等個(gè)人區域網(wǎng)絡(luò )（PAN）的范圍為一米或兩米，用于連接耳機等個(gè)人設備，其中的NFC（近場(chǎng)通信）也是一種物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，它實(shí)現了電子設備之間的簡(jiǎn)單和安全的通信，這些短程無(wú)線(xiàn)技術(shù)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(wǎng)的技術(shù)，如2G / 3G / 4G / 5G。每種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)都很明顯。LPWAN是一種面向物聯(lián)網(wǎng)遠距離、低功耗要求的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )層技術(shù)。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(wú)需在二者之間再做權衡了，LPWAN除了實(shí)現遠距離通信和超低功耗外，還可以節省額外的中繼成本。

LPWAN是物聯(lián)網(wǎng)不可或缺的一部分，它具有靈活和可擴展的特性，網(wǎng)絡(luò )規?？纱罂尚?，這是物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)成長(cháng)和探索階段所必需的，據稱(chēng)也是極為適合物聯(lián)網(wǎng)的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)。根據Facts and Factors的預測，2021年全球物聯(lián)網(wǎng)設備市場(chǎng)規模為15.295億美元，預計到2028年將增長(cháng)至27.2442億美元，預測期內復合年增長(cháng)率（CAGR）約為10.10%。蓬勃發(fā)展的物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)也一定會(huì )帶火其中的關(guān)鍵技術(shù)。目前，LPWAN中的兩大物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò )NB-IoT和LoRa正在快速發(fā)展，未來(lái)前景可期。

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