适用于未来物联网的无线技术介绍

本文讨论了在小型设备（如各种传感器）连接到广域Internet网络上的服务的系统中“最后100米连接”的主题。涵盖的主题是“最后100米连接”愿景的要求以及适用于未来物联网（IoT）用例的无线技术。还讨论了为什么connectBlue将“最后100米连接”设想为物联网领域的重要因素以及connectBlue关于物联网一般影响的观点的背景。

背景

物联网是一个热门话题，其中许多重要的连接参与者预测未来十年内的大幅增长。

图1：物联网中的设备分布。

图1显示了爱立信和思科等公司未来连接设备的预测。该图显示了个人设备的增长，如手机，平板电脑，笔记本电脑，游戏机等;然而，这种增长受到世界人口的限制。在家庭自动化，智能能源，老年人家庭护理，交通运输，资产跟踪等领域，所有其他类型的连接小型设备预计增长最快。

这种增长已经在进行中，但是大多数具有互联网连接设备的应用程序现在都是垂直的，封闭的应用程序，通常被称为“孤岛”。

图2：作为垂直“筒仓”的应用程序。

当来自孤岛的数据组合在一起以创建完整的新类型的应用程序时，将发生物联网的真正影响。只有来自所有小型设备的数据在互联网上可用，才能实现这种发展。来自小型设备的数据与“大数据”领域中出现的新知识相结合，将为许多新类型的应用程序创建框架。这一进展将推动物联网的发展。

问题是当物联网环境中存在许多不同的无线技术时如何注入这一进步。

图3：物联网领域的无线技术。

图3列出了主要的短程国际标准，但还有许多其他标准（例如，计量中的特定领域标准，如无线M-Bus和许多其他标准）。

关注“最后100米”

图4：“最后100米”。

今天，“最后100米”中使用的设备通常没有连接。广域网在更大程度上通过智能电话，家用路由器（例如ADSL路由器）和GSM/3G/4G路由器连接。

图5：市场规模和技术。

“最后100米”提供了90％以上的潜力，但如何实现连通视野极为多样化。许多不同的技术在这个领域竞争，包括国际标准，特定领域标准（在一个特定的垂直领域中使用）和许多专有技术。对“最后100米”技术的要求

图6：“最后100米”架构。

需要具有网关的体系结构，该网关用作广域网（Internet）和短程网络之间的接口。

图7：固定和移动用例。

对于物联网，所选短程技术的一项必要功能是支持智能手机或其他移动设备可用作临时网关的移动用例。还有一些应用，其中相同的物联网设备（传感器）用于移动和固定用例（见图7）。

为物联网使用案例选择合适的短程无线技术时的一些重要驱动因素如下：

无线电技术的成本。由于许多设备（传感器）都是小型低成本设备，因此无线电设备不得为物料清单增加太多额外成本。这也意味着无线电和设备应用在许多情况下需要共享相同的计算引擎（微控制器）。

功耗。许多使用案例需要使用电池或某种能量收集技术作为电源。

易于使用。将设备关联到网络和Internet服务必须很容易。

安全性。无线技术必须充分支持安全性（身份验证和加密），有时需要端到安全性（从传感器到Web服务）。

可用的生态系统。连接智能手机，平板电脑，PC，家庭网关等的可能性很重要。这一要求也推动了产量并对成本产生了重要影响（典型的例子是经典蓝牙，其中大量的手机和手机配件降低了成本）。

范围。

一个非域的国际标准，需要能够覆盖足够的范围或具有扩展覆盖范围（中继器，路由器等）而不会对系统成本产生太大影响的能力。

非域的国际标准-具体。特定于域的标准仍将被广泛使用，但希望找到并选择适合多种垂直行业的基本无线技术。

应该选择哪种无线技术？

图8：具有功耗，距离和数据速率的短程技术。

图8显示了支持上面列出的驱动程序和要求的主要部分的短程技术的图形表示。

此图表主要显示移动设备中可用的技术，如智能手机，笔记本电脑等。仅在移动设备中显示无线技术的原因是上述对可用生态系统的要求。该规则的一个例外是802.15.4，它既满足国际标准的要求，又广泛用于早期物联网用例，例如楼宇自动化和智能能源。

图示的范围是点对点的，并且在很大程度上取决于各个设备的无线电设计，因此仅被视为指示。相同的概念适用于功耗，因为实际功耗取决于用例。此图显示了不同技术对低功耗应用的支持程度。

由于本次讨论的重点是“最后100米”，我们将更多地了解位于红线左侧的无线技术。

图9：技术和垂直。图9显示了根据connectBlue，不同无线技术如何适应特定垂直行程的表格。除非是非常特殊的用例或垂直用途，否则可以排除红外线和NFC。 connectBlue认为，基于802.15.4的技术将成为一种利基技术，特别是在已经建立的领域，如家庭和楼宇自动化以及智能能源（稍后在结论部分中详见此内容）。

从前面确定的驱动因素（要求）中看到的三种选定技术的比较如下所示：

图10：无线技术的比较及其在物联网。

可以从图10表中得出的结论包括以下内容：

所有这三种技术都具有内置的链路层身份验证和加密，有时需要通过端到端的安全性来完成传感器到Web应用程序。

一些IoT用例可能完全在企业防火墙后面（例如，IoT Internet Service在本地服务器上运行的工厂内的用例）。还有物联网系统在广域网上运行，但通过使用VPN隧道或类似的安全机制充当本地网络。

正确使用蓝牙低功耗可能比802.15.4（开销减少）。

在生态系统的重要移动设备（智能手机，平板电脑，笔记本电脑等）中缺乏对802.15.4的本机支持是一个问题，特别是对于移动或临时移动使用案例。

带有手机，平板电脑，笔记本电脑和手机配件的生态系统将降低蓝牙低功耗的成本。

802.15.4在其范围内具有主要优势，因为许多基于802.15.4的技术（例如ZigBee）支持网格，通过使用路由器可以扩展覆盖范围。

蓝牙低功耗非常可靠，支持自适应跳频（AFH）和继承自经典蓝牙的其他功能。

WLAN，通常也称为Wi-Fi，可用于具有的设备对低功耗的要求较少，与其他技术相结合的无线主干（稍后将详细介绍）。

connectBlue的结论是蓝牙低功耗具有很高的潜力，成为一种重要的技术。 “最后100米”的低功耗，低成本，小型设备。但是，仍然会有使用基于802.15.4的技术的用例，特别是在已经建立的技术领域。尽管已经在智能能源，家庭和楼宇自动化应用中安装了基础，但ConnectBlue预计802.15.4也将面临这些应用中蓝牙低功耗的竞争。 WLAN将用于成本低，功耗低的重要设备以及与其他无线技术相结合的无线骨干网。应该选择哪种无线技术？

图11：短距离传感器/设备的物联网架构。

连接小型低功耗短距离设备时需要使用网关。有时网关是连接到骨干网络的固定设备，有时它们嵌入在其他设备中，例如在因特网路由器（ADSL或GSM/3G/4G路由器或类似物）中。

移动设备也可以充当网关，有几种用例可以使用。例如，一个用例是当传感器或设备与电话一起携带时，例如身体佩戴的传感器。另一种可能性是当智能手机接近传感器/设备时（例如，使用电话来使用因特网服务来验证访问的访问控制系统），智能手机成为临时网关。

图12：传统蓝牙低能耗用例。

图12显示了传统蓝牙低能耗特性和服务概念暴露给传感器/设备的用例。该用例通常需要代表网关知道传感器所暴露的服务。通常，网关将该知识公开为因特网可访问的API，或者将从传感器读取的数据推送到基于因特网的服务。

图13：IPv6“全能”和物联网。

图13显示了蓝牙低功耗和802.15.4用作基于IPv6的“端到端通信”的传输。在该用例中，传感器/设备中的基于IP的应用程序透明地连接到因特网服务。这种情况通常使用诸如6LoWPAN和CoAP的压缩技术来实现蓝牙低功耗或802.15.4网络的有限资源的有效使用。该用例还可以实现“端到端”安全性，尽管这将需要传感器/设备中的更多计算能力。

图14：使用WLAN“迷你网关”扩展覆盖范围和系统大小。

图14显示了使用WLAN作为连接传感器/设备岛的中间主干。这利用了已经可用的短距离无线电芯片的多无线电能力，例如支持同时使用蓝牙低能量和WLAN的芯片组，以创建微型网关。网关通过蓝牙低功耗下行和WLAN上游进行通信。 WLAN上游链路连接到进一步向上连接到Internet服务的WLAN路由器。此方案可用于扩展范围或系统大小。

图15：互连多种技术。

图15显示了使用网关创建具有互连多种技术的系统。网关用于执行对公共骨干（例如IPv6骨干网）的必要转换。如图13所示，当通过IPv6“全程”互连技术时，这种使用特别有趣且易于使用。