盤點物聯網常用七大通信標准
随着计算机、电子技术的进步,无线通信技术的蓬勃发展,过去几年中出现了一些新的无线标准:Zigbee、 Z-Wave、LoRa、LTE-M、NB-IoT、Wi-Fi 802.11ah(HaLow)和802.11af(White-Fi)等。
以下是其中最受歡迎的幾個標准,本文將簡要介紹它們的功能和優點:
1. Zigbee:专有、短距离、低成本且安全
Zigbee与蓝牙类似,是一种低功耗、低数据速率、近距离自组织无线网络,支持网状网络拓扑,使用了IEEE 802.15 WPAN规范,提供250 kbps、40 kbps和20 kbps的数据速率,只能在10至100米的范围内工作。Zigbee网状网络可以包含多达65000个设备,这是蓝牙LE可以支持的两倍。
Zigbee非常受物聯網設備制造商的青睐,它提供了用戶需要的大多數基本功能(連接性、範圍、安全性),並且作爲開放行業標准,它允許與任何Zigbee認證的設備進行互操作。
Zigbee主要用于家庭自動化應用,如智能照明、智能恒溫器和家庭能源監控。它還常用于工業自動化、智能儀表和安全系統。
2. Z-Wave:短距离、低成本、高可靠
Z-Wave與ZigBee相似,是一種基于射頻的、低成本、低功耗、高可靠、適于網絡的短距離無線通信技術。Z-Wave的結構是源路由網格網絡,即所有設備都連接到一個中心集線器,通常是路由器或網關。網絡本身由三個層組成,它們協同作業,以確保所有設備都能夠同時通信。無線電層定義了信號在網絡和無線電硬件之間的交換方式,而網絡層則確定如何控制節點和設備之間交換的數據。此外,應用層將消息分配給特定的應用程序,以便完成類似于開燈這樣的任務。
Z-Wave的工作频带为908.42MHz(美国)~868.42MHz(欧洲),采用FSK(BFSK/GFSK)调制方式,数据传输速率为9.6 kbps,信号的有效覆盖范围在室内是30m,室外可超过100m,适合于窄宽带应用场合。
Z-Wave技術設計用于住宅、照明商業控制以及狀態讀取應用,例如抄表、照明及家電控制、HVAC、接入控制、防盜及火災檢測等。Z-Wave可將任何獨立的設備轉換爲智能網絡設備,從而可以實現控制和無線監測。Z-Wave技術在最初設計時,就定位于智能家居無線控制領域。采用小數據格式傳輸,40kb/s的傳輸速率足以應。與同類的其他無線技術相比,擁有相對較低的傳輸頻率、相對較遠的傳輸距離和一定的價格優勢。
3. LoRa:专有、远程、便宜且安全
類似于Zigbee,LoRaWan是一項專有技術,由非營利組織LoRa聯盟定義和控制。主要區別在于,Zigbee是一種短程物聯網協議,旨在將多個設備緊密連接起來,而LoRa專注于廣域網。
LoRa特別適用于遠程通信,其調制方式相對于其他通信方式大大增加了通信距離,可廣泛應用于各種場合的遠距離低速率物聯網無線通信領域。比如自動抄表、樓宇自動化設備、無線安防系統、工業監視與控制等。具有體積小、功耗低、傳輸距離遠、抗幹擾能力強等特點,可根據實際應用情況對天線增益進行調節。
LoRaWAN網絡架構是一個典型的星形拓撲結構,在這個網絡架構中,LoRa網關是一個透明的中繼,連接終端設備和服務器。網關與服務器通過標准IP連接,而終端設備采用單跳與一個或多個網關通信,所有的節點均是雙向通信。LoRa網關和模塊間以星形網方式組網,而LoRa模塊間理論上可以點對點輪詢的方式組網,但是點對點輪詢效率要遠遠低于星形網。網關可以實現多通道並行接收,同時處理多路信號,這大大增加了網絡容量。
4. LTE-M:蜂窝技术
LTE-M是一種專爲滿足物聯網或機對機通信應用需求而設計的蜂窩技術,LTE-M是移動電信運營商的無線系統,得到了行業協會GSMA和3GPP標准組織的支持。LTE-M的主要優點之一是具有全球連通性的潛力,並且它是唯一適合長時間跟蹤移動物體的系統。
由于LTE-M是通過蜂窩網絡工作的,因此可用于監測、控制和接收在運輸工具(例如卡車、火車、船等)中的IoT設備的信息。當LTE網絡不可用時,系統可以退回到WCDMA(3G)或GPRS/EDGE(2G)來保持連接。
然而,LTE-M的最大的優勢是安全性。蜂窩連接的設備需要裝有SIM芯片,它可以嵌入電路板中,並在工廠進行預配,設置密鑰和簽名。一旦爲SIM卡配置了嵌入式密鑰,在沒有對設備進行物理訪問的情況下,就無法修改這些密鑰。
LTE-M的另一個優點是即使在停電期間也可以保持連接。由于它連接到蜂窩網絡,因此不需要接入點(AP),只要物聯網設備電池正常工作,它就可以保持連接狀態。
這就是爲什麽基于蜂窩的物聯網連接被廣泛應用于電網、家庭、辦公室安全和車隊管理等關鍵應用。
LTE-M唯一的問題是成本高。要使用該系統,需要訂購運營商服務,每個連接的設備中都需要有一個SIM卡。
5. NB-IoT:蜂窝技术
NB-IoT構建于蜂窩網絡,只消耗大約180kHz的帶寬,可直接部署于GSM網絡、UMTS網絡或LTE網絡,以降低部署成本、實現平滑升級。
NB-IoT聚焦于低功耗廣覆蓋物聯網市場,是一種可在全球範圍內廣泛應用的新興技術。其具有覆蓋廣、連接多、速率低、成本低、功耗低、架構優等特點。NB-IoT使用License頻段,可采取帶內、保護帶或獨立載波三種部署方式,與現有網絡共存。
NB-IoT具備四大特點:一是廣覆蓋,將提供改進的室內覆蓋,在同樣的頻段下,NB-IoT比現有的網絡增益20dB,相當于提升了100倍覆蓋區域的能力;二是具備支撐連接的能力,NB-IoT一個扇區能夠支持10萬個連接,支持低延時敏感度、超低的設備成本、低設備功耗和優化的網絡架構;三是更低功耗,NB-IoT終端模塊的待機時間可長達10年;四是更低的模塊成本,企業預期的單個接連模塊不超過5美元。
6. White-Fi和HaLow:低成本、范围扩大,但安全性低
IEEE 802.11af(White-Fi)和IEEE 802.11ah(HaLow)均使用先前授权的频谱,并且不会干扰2.4 GHz和5 GHz频带中的传统Wi-Fi信号,也不会干扰2G和3G蜂窝网络。部分频谱与美国使用的某些LTE信道共享。
White-Fi利用的是廣播電視轉向數字地面電視以及之前的一些UHF頻道停止運作時釋放出來的數字紅利。在美國和歐洲,對數字紅利頻譜的使用有不同的規定,連接的設備需要定期尋找可用的頻率。
HaLow将Wi-Fi扩展到900 MHz频段,使传感器和可穿戴设备等应用所需的低功耗连接成为可能。由于此频率可免费用于基本通信,因此HaLow是IoT的首选Wi-Fi标准。
HaLow的最大问题是在全球范围内的未许可频谱不统一:HaLow在美国的工作频率为900 MHz,在欧洲为850 MHz,在中国为700 MHz,在许多国家甚至没有工作频谱。
由于低頻帶的特性,這兩種技術都不適合高速或大容量的數據傳輸。但是,它們可以用于爲大量部署的設備提供連接。
HaLow可以提供低至150kbps的數據速率。
对于新一代低功耗设备来说,低于1 GHz的连接也是至关重要的,它的电池寿命通常需要达到数年。对于世界各地城市部署的数十亿个传感器和监控设备来说,这种电池性能是必不可少的。
HaLow還提供了一些節電功能,例如目標喚醒時間(TWT)和交通指示圖(TIM),使IoT設備能夠在選定的時間間隔進行通信,從而節省電池電量。
2017年,IEEE推出了另一个针对物联网的Wi-Fi标准:802.11ax(后被正式更名为WiFi 6)。与HaLow相比,802.11ax的优势在于使用了2.4 GHz和5 GHz频带,更适合于本地范围的物联网。
在安全問題方面,Wi-Fi缺乏對蜂窩網絡上SIM卡提供的安全元件和硬件加密的保護。但是,要在大範圍內部署數百或數千個無線傳感器,White-Fi和HaLow可以提供低成本的連接和良好的性能。