物联网设备的七大无线标准

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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。

以下是其中最受欢迎的几个标准,本文将简要介绍它们的功能和优点:

部分协议对比

部分协议对比

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于1998年开始构思,2003年标准化,并于2006年进行了修订。Zigbee的名字来源于蜜蜂的摇摆舞,其商标归Zigbee联盟所有,该联盟负责维护和发布Zigbee标准,根据其网站信息显示,全球有数亿台使用Zigbee技术的设备。

Zigbee非常受物联网设备制造商的青睐,它提供了用户需要的大多数基本功能(连接性、范围、安全性),并且作为开放行业标准,它允许与任何Zigbee认证的设备进行互操作。OEM厂商最大的抱怨是加入联盟的成本、认证和缺乏开放GPL许可证,因为OEM必须要成为联盟的成员才能使用其技术。

Zigbee主要用于家庭自动化应用,如智能照明、智能恒温器和家庭能源监控。它还常用于工业自动化、智能仪表和安全系统。

Z-Wave:短距离、低成本、高可靠

Z-Wave与ZigBee相似,是一种基于射频的、低成本、低功耗、高可靠、适于网络的短距离无线通信技术。Z-Wave的结构是源路由网格网络,即所有设备都连接到一个中心集线器,通常是路由器或网关。网络本身由三个层组成,它们协同作业,以确保所有设备都能够同时通信。无线电层定义了信号在网络和无线电硬件之间的交换方式,而网络层则确定如何控制节点和设备之间交换的数据。此外,应用层将消息分配给特定的应用程序,以便完成类似于开灯这样的任务。

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技术设计用于住宅、照明商业控制以及状态读取应用,例如抄表、照明及家电控制、HVAC、接入控制、防盗及火灾检测等。Z-Wave可将任何独立的设备转换为智能网络设备,从而可以实现控制和无线监测。Z-Wave技术在最初设计时,就定位于智能家居无线控制领域。采用小数据格式传输,40kb/s的传输速率足以应。与同类的其他无线技术相比,拥有相对较低的传输频率、相对较远的传输距离和一定的价格优势。

LoRa:专有、远程、便宜且安全

类似于Zigbee,LoRaWan是一项专有技术,由非营利组织LoRa联盟定义和控制。主要区别在于,Zigbee是一种短程物联网协议,旨在将多个设备紧密连接起来,而LoRa专注于广域网。

LoRa特别适用于远程通信,其调制方式相对于其他通信方式大大增加了通信距离,可广泛应用于各种场合的远距离低速率物联网无线通信领域。比如自动抄表、楼宇自动化设备、无线安防系统、工业监视与控制等。具有体积小、功耗低、传输距离远、抗干扰能力强等特点,可根据实际应用情况对天线增益进行调节。

LoRaWAN网络架构是一个典型的星形拓扑结构,在这个网络架构中,LoRa网关是一个透明的中继,连接终端设备和服务器。网关与服务器通过标准IP连接,而终端设备采用单跳与一个或多个网关通信,所有的节点均是双向通信。LoRa网关和模块间以星形网方式组网,而LoRa模块间理论上可以点对点轮询的方式组网,但是点对点轮询效率要远远低于星形网。网关可以实现多通道并行接收,同时处理多路信号,这大大增加了网络容量。

LoRa网络构成

LoRa网络构成

但随着LoRa设备和网络部署的增多,其相互之间会出现一定的频谱干扰。

LTE-M:蜂窝技术

LTE-M是一种专为满足物联网或机对机通信应用需求而设计的蜂窝技术,LTE-M是移动电信运营商的无线系统,得到了行业协会GSMA和3GPP标准组织的支持。LTE-M的主要优点之一是具有全球连通性的潜力,并且它是唯一适合长时间跟踪移动物体的系统。GSMA表示:“该技术可改善室内和室外覆盖范围,支持大量的低吞吐量设备、低延迟灵敏度、超低设备成本、低设备功耗的网络架构。”

由于LTE-M是通过蜂窝网络工作的,因此可用于监测、控制和接收在运输工具(例如卡车、火车、船等)中的IoT设备的信息。当LTE网络不可用时,系统可以退回到WCDMA(3G)或GPRS/EDGE(2G)来保持连接。

LTE-M还基于蜂窝基站定位提供定位服务,无需使用GPS或Galileo等基于卫星的系统。对于需要为其设备配备基本定位系统的OEM来说,此功能可节省大量成本。

然而,LTE-M的最大的优势是安全性。蜂窝连接的设备需要装有SIM芯片,它可以嵌入电路板中,并在工厂进行预配,设置密钥和签名。一旦为SIM卡配置了嵌入式密钥,在没有对设备进行物理访问的情况下,就无法修改这些密钥。

SIM是可提供NSA Suite B AES-256加密和身份认证的安全模块。

LTE-M的另一个优点是即使在停电期间也可以保持连接。由于它连接到蜂窝网络,因此不需要接入点(AP),只要物联网设备电池正常工作,它就可以保持连接状态。

这就是为什么基于蜂窝的物联网连接被广泛应用于电网、家庭、办公室安全和车队管理等关键应用。

LTE-M唯一的问题是成本高。要使用该系统,需要订购运营商服务,每个连接的设备中都需要有一个SIM卡。

NB-IoT:蜂窝技术

NB-IoT构建于蜂窝网络,只消耗大约180kHz的带宽,可直接部署于GSM网络、UMTS网络或LTE网络,以降低部署成本、实现平滑升级。

NB-IoT聚焦于低功耗广覆盖物联网市场,是一种可在全球范围内广泛应用的新兴技术。其具有覆盖广、连接多、速率低、成本低、功耗低、架构优等特点。NB-IoT使用License频段,可采取带内、保护带或独立载波三种部署方式,与现有网络共存。

NB-IoT具备四大特点:一是广覆盖,将提供改进的室内覆盖,在同样的频段下,NB-IoT比现有的网络增益20dB,相当于提升了100倍覆盖区域的能力;二是具备支撑连接的能力,NB-IoT一个扇区能够支持10万个连接,支持低延时敏感度、超低的设备成本、低设备功耗和优化的网络架构;三是更低功耗,NB-IoT终端模块的待机时间可长达10年;四是更低的模块成本,企业预期的单个接连模块不超过5美元。

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利用的是广播电视转向数字地面电视以及之前的一些UHF频道停止运作时释放出来的数字红利。在美国和欧洲,对数字红利频谱的使用有不同的规定,连接的设备需要定期寻找可用的频率。

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。

由于低频带的特性,这两种技术都不适合高速或大容量的数据传输。但是,它们可以用于为大量部署的设备提供连接。

HaLow可以提供低至150kbps的数据速率。

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还提供了一些节电功能,例如目标唤醒时间(TWT)和交通指示图(TIM),使IoT设备能够在选定的时间间隔进行通信,从而节省电池电量。

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。

在安全问题方面,Wi-Fi缺乏对蜂窝网络上SIM卡提供的安全元件和硬件加密的保护。但是,要在大范围内部署数百或数千个无线传感器,White-Fi和HaLow可以提供低成本的连接和良好的性能。

什么是最适合您的选择?

如果你寻求的是一种低成本的解决方案近距离连接非关键设备,那么Zigbee、Z-Wave或White-Fi可能是最佳选择。Zigbee的DotDot软件将帮助你开发与其他Zigbee设备兼容的解决方案,前提是必须加入Zigbee联盟。

对于远距离应用,Lo-RaWan、LTE-M或NB-IoT是最佳选择。LTE-M是最强大、最安全的,也有蜂窝网络的支持,但在价格上可能也是最昂贵的。它能够保证全球连接,可用于货运和车队管理。

对于不需要定位服务或NSA级安全性的本地中型网络而言,LoRa则是一个很好的解决方案。

因此,选择哪种解决方案完全取决于自身的需求,用户可以根据自己的实际情况择优选择。

原文链接:https://iot.eetimes.com/top-wireless-standards-for-iot-devices/

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