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12种无线技术，谁将成为物联网时代王者
来源:
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作者:zthttx
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发布时间: 2016-08-15
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物联网，万物互联。在这个时代下，越来越多的物体将被连接到互联网，并最终实现到主控端/云端的连接。这些连接，我们可采用多种通信链路予以实现。
然而，设备本身一般通过无线方式连接到物联网系统。这种无线连接是系统中极为重要或最为薄弱的链路。因此，选择一种能够匹配设备及其周边环境的无线技术很重要。本文介绍了最有可能为新设计采用的几种无线候选技术。
设备通过无线方式链接到网关是一种典型的物联网连接场景(图)。网关是通过公用宽带电缆或DSL调制解调器连接互联网的接口，然后再通过互联网服务提供商连接到互联网。在另外一种被称为机到机(M2M)的应用场景中，设备连接会经过一家蜂窝运营商，然后再到另一家运营商，或直接到互联网。
图：针对物联网(a)和M2M(b)应用的典型无线连接场景
在选择无线技术时必须详细考察许多设计因素：
• 设备的数据速率：视频流，测量每分钟的温度，或之间的其他参数。
• 到网关的范围或距离：房间内几英寸的距离，或农村地区超过1英里的范围。
• 环境：工厂中的危险环境，暴露在天气中的室外环境，来自电子设备的噪声或电磁干扰等。
• 需要加密或认证：对数据安全性有什么要求？
• 功耗：电池寿命，能效，可能需要连接交流电。
• 容量：联网设备的数量。
• 服务质量和可靠性。
• 网络拓扑：星形，网状，或其它拓扑。
• 单工或双工：单向还是双向通信。
• 合适和可用的频谱：许可还是免许可。
• 可用的IC、模块和设备。
• 成本：设计、制造或互联网接入服务费用。
• 开发平台：需要操作系统吗？需要哪些其它软件？
• 互联网接入：蜂窝、数字用户线路(DSL)、电缆、卫星。
• 可用标准的许可条件。
2G/3G蜂窝
一般被称为机到机(M2M)的许多使用案例都类似于物联网。多家供应商提供蜂窝电话模块用于嵌入到其它产品，而大多数主要的蜂窝运营商都在标准许可频谱上提供M2M连接服务。虽然像GSM/GPRS/EDGE等2G技术很流行，但一些运营商已经有计划逐步淘汰2G业务。
然而，大多数网络仍然支持诸如WCDMA和CDMA2000等3G技术，其数据速率高达每秒几兆比特。范围是指到蜂窝站的距离，可以长达几公里。蜂窝连接显然是一种选择，但它比后文介绍的其它方案更昂贵些。
802.15.4
802.15.4以短距离、低中数据速率和低功耗用例为目标，是后文提到的几种其它标准的基础。它的主要工作频谱是2.4GHz工业、科学和医疗(ISM)免许可频段，有时候也用到902MHz至928MHz和868MHz频段。
802.15.4标准为PHY和MAC网络层提供基于数据包的协议。其它标准都是以此为基础增加更多的层，从而提供增强的网络功能和性能。
6LoWPAN地址节点
国际互联网工程任务组(IETF)的6LoWPAN是基于低功耗无线个人区域网的互联网协议第6版(IPv6)的简称。
这个标准最初的目标是802.15.4，后来也被Bluetooth Smart和低功耗HaLow Wi-Fi所采用。具体来说，6LoWPAN定义了使用封装和头部压缩技术将IPv6数据包适配进其它协议帧的方式。
蓝牙
也许使用最广泛的短距离无线技术是工作在2.4GHz ISM频段的蓝牙(BT)。几种不同的版本提供多种不同的数据速率、功率电平和范围。其基本的工作原理是采用不同调制方法的跳频扩展频谱(FHSS)技术。
最新版本的蓝牙是Bluetooth Smart或版本4.1，也称为低功耗蓝牙(BLE)。这个配置使用缩短了的数据包，最大速率是1Mb/s，采用GFSK调制。它的最大好处是优异的低功耗特性。发送功率是10mW，它的距离可达100米。针对不同的用途有多种软件配置文件，而其互操作性认证可有效做到完全兼容。
LoRa
LoRa(长距离)是由Semtech公司开发的一种技术，典型工作频率在美国是915MHz，在欧洲是868MHz，在亚洲是433MHz。LoRa的物理层(PHY)使用了一种独特形式的带前向纠错(FEC)的调频啁啾扩频技术。这种扩频调制允许多个无线电设备使用相同的频段，只要每台设备采用不同的啁啾和数据速率就可以了。其典型范围是2km至5km，最长距离可达15km，具体取决于所处的位置和天线特性。
LTE Cat 0/1
LTE是长期演进的缩写，是目前第4代蜂窝技术。
LTE Cat 0和Cat 1是LTE的功能简化版本，是为了匹配M2M的低功耗低速率要求而专门设计的。M2M应用也被称作机器类通信(MTC)，使用许可频谱中的现有蜂窝网络，而不是短距离的无线和互联网。
对大多数基本的监视和控制应用来说，标准的LTE网络太浪费了。LTE Cat 0和Cat 1是简化版本，可以为最大数据速率分别为1Mb/s和10Mb/s的M2M应用提供合适的解决方案。Cat 0和Cat 1使用现有的LTE带宽和正交频分多址(OFDMA)调制技术。这种长距离解决方案可以支持数公里的范围。
窄带物联网(NB-IoT)
将LTE用于物联网的一个相对较新的变体是窄带物联网。与使用标准LTE的全部10MHz或20MHz带宽不同，窄带物联网使用包含12个15kHz LTE子载波的180kHz宽的资源块。数据速率在100kb/s到1Mb/s范围之内。
这种更加简化的标准可以为联网设备提供很低的功耗。此外，它可以作为一种软件叠加被部署进任何LTE网络。窄带物联网的资源块能够很好地适配进标准LTE信道或保护带。当运营商重新划分它们较早的2G频谱时，它也能适配进标准的GSM信道。调制采用OFDMA下行链路和SC-FDMA上行链路。
SIGFOX
SIGFOX既是一种无线技术，也是一种网络服务。SIGFOX工作在868MHz和902MHz的ISM频段，但消耗很窄的带宽或功耗。
SIGFOX无线电设备采用了一种被称为超窄带(UNB)调制的技术，只是偶尔以低数据速率传送短消息。消息最长是12个字节，一个节点每天可以传送的消息数量最多是140条。由于是窄带宽和短消息，因此除了其162dB的链路预算外，它还可以达到数公里的长传输距离。
Weightless
Weightless是以物联网应用为目标的一系列开放无线技术标准。它有三种不同的版本，分别对应LPWAN市场中的不同细分领域。
最简单的版本是用于低成本应用的Weightless-N。这个版本的目标是单工或单向用途，如传感器监视。它工作在不到1Gb的免许可ISM频段。调制采用的是使用跳频技术的差分BPSK，可最大程度地减少干扰。具有完整签权功能的128位AES加密是这种技术的一个关键特性。由于是低数据速率和窄带宽通道，传输距离可达5km。
无线技术一览表
如果需要更高性能的双向通信，Weightless-P也许是最好的选择。它同时使用了频分多址(FDMA)和时分多址(TDMA)技术，可管理访问多个12.5kHz宽的信道。这种技术使用GMSK和交错QPSK调制，数据速率范围可从低速的200b/s一直到100kb/s。典型的最大传输距离约为2km。在安全方面支持AES-128/256加密和签权。
第三个版本是Weightless-W，旨在工作在电视的空白频段。空白频段是以前在470MHz至790MHz范围内被电视台使用的那些6MHz宽信道。它可以达到1kb/s至10Mb/s的数据速率，具体取决于链路预算。在非视距条件下最远传输距离可达5km以上。
Wi-Fi
Wi-Fi被广泛用于许多物联网应用案例，最常见的是作为从网关到连接互联网的路由器的链路。然而，它也被用于要求高速和中距离的主要无线链路。
大多数Wi-Fi版本工作在2.4GHz免许可频段，传输距离长达100米，具体取决于应用环境。流行的802.11n速度可达300Mb/s，而更新的、工作在5GHz ISM频段的802.11ac，速度甚至可以超过1.3Gb/s。
一种被称为HaLow的适合物联网应用的新版Wi-Fi即将推出。这个版本的代号是802.11ah，在美国使用902MHz至928MHz的免许可频段，其它国家使用1GHz以下的类似频段。虽然大多数Wi-Fi设备在理想条件下最大只能达到100米的覆盖范围，但HaLow在使用合适天线的情况下可以远达1km。
802.11ah的调制技术是OFDM，它在1MHz信道中使用24个子载波，在更大带宽的信道中使用52个子载波。它可以是BPSK、QPSK或QAM，因此可以提供宽范围的数据速率。在大多数情况下100kb/s到数Mb/s的速率足够用了——真正的目标是低功耗。Wi-Fi联盟透露，它将在2018年前完成802.11ah的测试和认证计划。
针对物联网应用的另外一种新的Wi-Fi标准是802.11af。它旨在使用从54MHz到698MHz范围内的电视空白频段或未使用的电视频道。这些频道很适合长距离和非视距传输。调制技术是采用BPSK、QPSK或QAM的OFDM。每个6MHz信道的最大数据速率大约为24Mb/s，不过在更低的VHF电视频段有望实现更长的距离。
WirelessHART
这是得到广泛使用的高速可寻址远程传感器(HART)工业网络技术的无线版本，主要用于过程监控、传感器网络、楼宇自动化和交通运输领域。该技术基于流行的IEEE 802.15.4标准，代号是802.15.4e。
WirelessHART在基础标准之上增加了一个时间同步网格协议。除了网格拓扑外，它也能采用星形配置。WirelessHART使用TDMA和时隙跳信道(TSCH)技术，最多可访问个节点。
ZigBee
ZigBee是物联网的理想选择之一。
虽然ZigBee一般工作在2.4GHz ISM频段，但它也可以在902MHz到928MHz和868MHz频段中使用。在2.4GHz频段中数据速率是250kb/s。它可以用在点到点、星形和网格配置中，支持多达216个节点。与其它技术一样，安全性是通过AES-128加密来保证的。ZigBee的一个主要优势是有预先开发好的软件应用配置文件供具体应用(包括物联网)使用。最终产品必须得到许可。
Z-Wave
Z-Wave是一种单一来源的私有无线技术。工作在908.42MHz的ISM频段。它使用高效的GFSK，可实现9600b/s或40kb/s的数据速率；在某些应用中甚至可达100kb/s。典型的功率电平是1mW(0dBm)，最大覆盖范围约30米，取决于具体应用环境。Z-Wave可以用于点到点链路或节点数最多232个的星形配置中。在安全性方面，它采用AES-128加密措施。这种技术必须获得许可才能在商用产品中使用。
从文中这张表，我们可以快速地对文中提到的这12种技术进行比较。同时，物联网市场包罗万象，涉及工业、交通、农业和医疗等各行各业，应用的需求也各不相同。因此，对于物联网这样一个长尾市场，我们可以肯定，任何标准都不会占据主导地位。但是，我们可以针对具体应用很方便地找到一种最恰当的技术来与之对应。
然而，设备本身一般通过无线方式连接到物联网系统。这种无线连接是系统中极为重要或最为薄弱的链路。因此，选择一种能够匹配设备及其周边环境的无线技术很重要。本文介绍了最有可能为新设计采用的几种无线候选技术。
设备通过无线方式链接到网关是一种典型的物联网连接场景(图)。网关是通过公用宽带电缆或DSL调制解调器连接互联网的接口，然后再通过互联网服务提供商连接到互联网。在另外一种被称为机到机(M2M)的应用场景中，设备连接会经过一家蜂窝运营商，然后再到另一家运营商，或直接到互联网。
图：针对物联网(a)和M2M(b)应用的典型无线连接场景
在选择无线技术时必须详细考察许多设计因素：
• 设备的数据速率：视频流，测量每分钟的温度，或之间的其他参数。
• 到网关的范围或距离：房间内几英寸的距离，或农村地区超过1英里的范围。
• 环境：工厂中的危险环境，暴露在天气中的室外环境，来自电子设备的噪声或电磁干扰等。
• 需要加密或认证：对数据安全性有什么要求？
• 功耗：电池寿命，能效，可能需要连接交流电。
• 容量：联网设备的数量。
• 服务质量和可靠性。
• 网络拓扑：星形，网状，或其它拓扑。
• 单工或双工：单向还是双向通信。
• 合适和可用的频谱：许可还是免许可。
• 可用的IC、模块和设备。
• 成本：设计、制造或互联网接入服务费用。
• 开发平台：需要操作系统吗？需要哪些其它软件？
• 互联网接入：蜂窝、数字用户线路(DSL)、电缆、卫星。
• 可用标准的许可条件。
2G/3G蜂窝
一般被称为机到机(M2M)的许多使用案例都类似于物联网。多家供应商提供蜂窝电话模块用于嵌入到其它产品，而大多数主要的蜂窝运营商都在标准许可频谱上提供M2M连接服务。虽然像GSM/GPRS/EDGE等2G技术很流行，但一些运营商已经有计划逐步淘汰2G业务。
然而，大多数网络仍然支持诸如WCDMA和CDMA2000等3G技术，其数据速率高达每秒几兆比特。范围是指到蜂窝站的距离，可以长达几公里。蜂窝连接显然是一种选择，但它比后文介绍的其它方案更昂贵些。
802.15.4
802.15.4以短距离、低中数据速率和低功耗用例为目标，是后文提到的几种其它标准的基础。它的主要工作频谱是2.4GHz工业、科学和医疗(ISM)免许可频段，有时候也用到902MHz至928MHz和868MHz频段。
802.15.4标准为PHY和MAC网络层提供基于数据包的协议。其它标准都是以此为基础增加更多的层，从而提供增强的网络功能和性能。
6LoWPAN地址节点
国际互联网工程任务组(IETF)的6LoWPAN是基于低功耗无线个人区域网的互联网协议第6版(IPv6)的简称。
这个标准最初的目标是802.15.4，后来也被Bluetooth Smart和低功耗HaLow Wi-Fi所采用。具体来说，6LoWPAN定义了使用封装和头部压缩技术将IPv6数据包适配进其它协议帧的方式。
蓝牙
也许使用最广泛的短距离无线技术是工作在2.4GHz ISM频段的蓝牙(BT)。几种不同的版本提供多种不同的数据速率、功率电平和范围。其基本的工作原理是采用不同调制方法的跳频扩展频谱(FHSS)技术。
最新版本的蓝牙是Bluetooth Smart或版本4.1，也称为低功耗蓝牙(BLE)。这个配置使用缩短了的数据包，最大速率是1Mb/s，采用GFSK调制。它的最大好处是优异的低功耗特性。发送功率是10mW，它的距离可达100米。针对不同的用途有多种软件配置文件，而其互操作性认证可有效做到完全兼容。
LoRa
LoRa(长距离)是由Semtech公司开发的一种技术，典型工作频率在美国是915MHz，在欧洲是868MHz，在亚洲是433MHz。LoRa的物理层(PHY)使用了一种独特形式的带前向纠错(FEC)的调频啁啾扩频技术。这种扩频调制允许多个无线电设备使用相同的频段，只要每台设备采用不同的啁啾和数据速率就可以了。其典型范围是2km至5km，最长距离可达15km，具体取决于所处的位置和天线特性。
LTE Cat 0/1
LTE是长期演进的缩写，是目前第4代蜂窝技术。
LTE Cat 0和Cat 1是LTE的功能简化版本，是为了匹配M2M的低功耗低速率要求而专门设计的。M2M应用也被称作机器类通信(MTC)，使用许可频谱中的现有蜂窝网络，而不是短距离的无线和互联网。
对大多数基本的监视和控制应用来说，标准的LTE网络太浪费了。LTE Cat 0和Cat 1是简化版本，可以为最大数据速率分别为1Mb/s和10Mb/s的M2M应用提供合适的解决方案。Cat 0和Cat 1使用现有的LTE带宽和正交频分多址(OFDMA)调制技术。这种长距离解决方案可以支持数公里的范围。
窄带物联网(NB-IoT)
将LTE用于物联网的一个相对较新的变体是窄带物联网。与使用标准LTE的全部10MHz或20MHz带宽不同，窄带物联网使用包含12个15kHz LTE子载波的180kHz宽的资源块。数据速率在100kb/s到1Mb/s范围之内。
这种更加简化的标准可以为联网设备提供很低的功耗。此外，它可以作为一种软件叠加被部署进任何LTE网络。窄带物联网的资源块能够很好地适配进标准LTE信道或保护带。当运营商重新划分它们较早的2G频谱时，它也能适配进标准的GSM信道。调制采用OFDMA下行链路和SC-FDMA上行链路。
SIGFOX
SIGFOX既是一种无线技术，也是一种网络服务。SIGFOX工作在868MHz和902MHz的ISM频段，但消耗很窄的带宽或功耗。
SIGFOX无线电设备采用了一种被称为超窄带(UNB)调制的技术，只是偶尔以低数据速率传送短消息。消息最长是12个字节，一个节点每天可以传送的消息数量最多是140条。由于是窄带宽和短消息，因此除了其162dB的链路预算外，它还可以达到数公里的长传输距离。
Weightless
Weightless是以物联网应用为目标的一系列开放无线技术标准。它有三种不同的版本，分别对应LPWAN市场中的不同细分领域。
最简单的版本是用于低成本应用的Weightless-N。这个版本的目标是单工或单向用途，如传感器监视。它工作在不到1Gb的免许可ISM频段。调制采用的是使用跳频技术的差分BPSK，可最大程度地减少干扰。具有完整签权功能的128位AES加密是这种技术的一个关键特性。由于是低数据速率和窄带宽通道，传输距离可达5km。
无线技术一览表
如果需要更高性能的双向通信，Weightless-P也许是最好的选择。它同时使用了频分多址(FDMA)和时分多址(TDMA)技术，可管理访问多个12.5kHz宽的信道。这种技术使用GMSK和交错QPSK调制，数据速率范围可从低速的200b/s一直到100kb/s。典型的最大传输距离约为2km。在安全方面支持AES-128/256加密和签权。
第三个版本是Weightless-W，旨在工作在电视的空白频段。空白频段是以前在470MHz至790MHz范围内被电视台使用的那些6MHz宽信道。它可以达到1kb/s至10Mb/s的数据速率，具体取决于链路预算。在非视距条件下最远传输距离可达5km以上。
Wi-Fi
Wi-Fi被广泛用于许多物联网应用案例，最常见的是作为从网关到连接互联网的路由器的链路。然而，它也被用于要求高速和中距离的主要无线链路。
大多数Wi-Fi版本工作在2.4GHz免许可频段，传输距离长达100米，具体取决于应用环境。流行的802.11n速度可达300Mb/s，而更新的、工作在5GHz ISM频段的802.11ac，速度甚至可以超过1.3Gb/s。
一种被称为HaLow的适合物联网应用的新版Wi-Fi即将推出。这个版本的代号是802.11ah，在美国使用902MHz至928MHz的免许可频段，其它国家使用1GHz以下的类似频段。虽然大多数Wi-Fi设备在理想条件下最大只能达到100米的覆盖范围，但HaLow在使用合适天线的情况下可以远达1km。
802.11ah的调制技术是OFDM，它在1MHz信道中使用24个子载波，在更大带宽的信道中使用52个子载波。它可以是BPSK、QPSK或QAM，因此可以提供宽范围的数据速率。在大多数情况下100kb/s到数Mb/s的速率足够用了——真正的目标是低功耗。Wi-Fi联盟透露，它将在2018年前完成802.11ah的测试和认证计划。
针对物联网应用的另外一种新的Wi-Fi标准是802.11af。它旨在使用从54MHz到698MHz范围内的电视空白频段或未使用的电视频道。这些频道很适合长距离和非视距传输。调制技术是采用BPSK、QPSK或QAM的OFDM。每个6MHz信道的最大数据速率大约为24Mb/s，不过在更低的VHF电视频段有望实现更长的距离。
WirelessHART
这是得到广泛使用的高速可寻址远程传感器(HART)工业网络技术的无线版本，主要用于过程监控、传感器网络、楼宇自动化和交通运输领域。该技术基于流行的IEEE 802.15.4标准，代号是802.15.4e。
WirelessHART在基础标准之上增加了一个时间同步网格协议。除了网格拓扑外，它也能采用星形配置。WirelessHART使用TDMA和时隙跳信道(TSCH)技术，最多可访问个节点。
ZigBee
ZigBee是物联网的理想选择之一。
虽然ZigBee一般工作在2.4GHz ISM频段，但它也可以在902MHz到928MHz和868MHz频段中使用。在2.4GHz频段中数据速率是250kb/s。它可以用在点到点、星形和网格配置中，支持多达216个节点。与其它技术一样，安全性是通过AES-128加密来保证的。ZigBee的一个主要优势是有预先开发好的软件应用配置文件供具体应用(包括物联网)使用。最终产品必须得到许可。
Z-Wave
Z-Wave是一种单一来源的私有无线技术。工作在908.42MHz的ISM频段。它使用高效的GFSK，可实现9600b/s或40kb/s的数据速率；在某些应用中甚至可达100kb/s。典型的功率电平是1mW(0dBm)，最大覆盖范围约30米，取决于具体应用环境。Z-Wave可以用于点到点链路或节点数最多232个的星形配置中。在安全性方面，它采用AES-128加密措施。这种技术必须获得许可才能在商用产品中使用。
从文中这张表，我们可以快速地对文中提到的这12种技术进行比较。同时，物联网市场包罗万象，涉及工业、交通、农业和医疗等各行各业，应用的需求也各不相同。因此，对于物联网这样一个长尾市场，我们可以肯定，任何标准都不会占据主导地位。但是，我们可以针对具体应用很方便地找到一种最恰当的技术来与之对应。
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