物联网无线通信技术盘点 蓝牙/WiFi/Zigbee谁能成主流？

　　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。