物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)分為短距離無線局域網(wǎng)和低功耗無線廣域網(wǎng)(LPWAN)兩大類，藍(lán)牙、Wi-Fi、ZigBee等屬于短距離無線局域網(wǎng)，LPWAN主要用于遠(yuǎn)距離、低帶寬、低功耗、大量連接需求的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景，近幾年在市場上風(fēng)生水起的LoRa就是LPWAN中最具代表性的技術(shù)。

我們知道，物聯(lián)網(wǎng)(IoT)是一個(gè)始于連通，在應(yīng)用上具有廣泛多樣性的領(lǐng)域。因此，在設(shè)計(jì)過程中很難找到一個(gè)一刀切的無線通信解決方案。為了幫助大家在工作中快速尋找到符合特定項(xiàng)目需求的最佳無線連接方案，本文將對IoT中應(yīng)用最廣泛的6種無線通信技術(shù)逐一進(jìn)行梳理。

六種最常見的物聯(lián)網(wǎng)無線技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)部署通常包括多種技術(shù)，每種技術(shù)在各種網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)中都有其優(yōu)缺點(diǎn)，選用時(shí)必須綜合考慮。比如，藍(lán)牙常被用于可穿戴和車載設(shè)備，Wi-Fi則主要用于數(shù)據(jù)傳輸和設(shè)備控制，企業(yè)應(yīng)用通常是Wi-Fi、Zigbee和藍(lán)牙等多個(gè)無線技術(shù)的組合。

圖1：不同的無線通信技術(shù)對應(yīng)的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用場景

(圖源：Semtech)

#01

LPWAN

LPWAN通過使用小型廉價(jià)電池可提供長達(dá)數(shù)年的遠(yuǎn)程無線通信，該技術(shù)專門用于支持遍布工業(yè)和商業(yè)校園的大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)，為那些無需頻繁數(shù)據(jù)傳輸，且低速和低移動(dòng)性的設(shè)備(如IoT傳感器)提供連接。在保持低功耗情況下，LPWAN可為數(shù)千個(gè)傳感器在廣域范圍內(nèi)通信，在消耗品監(jiān)控、環(huán)境監(jiān)控、占用檢測和資產(chǎn)跟蹤等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。

LPWAN中包含多種無線通信技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)。在需要授權(quán)許可頻譜中運(yùn)行的LPWAN技術(shù)有：

LTE-M

NB-IoT

無授權(quán)許可的LPWAN技術(shù)則是：

LoRa

Sigfox

目前，LoRaWAN和NB-IoT已顯示出強(qiáng)勁的應(yīng)用勢頭，有望在未來幾年獲得LPWAN市場較大的份額。

LPWAN中包含多種無線通信技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)。在需要授權(quán)許可頻譜中運(yùn)行的LPWAN技術(shù)有LTE-M和NB-IoT，LoRa、Sigfox等則屬于無授權(quán)許可的LPWAN技術(shù)。目前，LoRaWAN和NB-IoT已顯示出強(qiáng)勁的應(yīng)用勢頭，有望在未來幾年獲得LPWAN市場較大的份額。

與LTE一樣，NB-IoT在上行鏈路中使用頻分多址(FDMA)，在下行鏈路中使用正交FDMA(OFDMA)以及正交相移鍵控(QPSK)調(diào)制。NB-IoT在許可頻譜上沒有占空比限制，但其代價(jià)是相對于LoRaWAN的更高總擁有成本(TCO)。另外，作為一種同步協(xié)議，NB-IoT比LoRaWAN能耗要大得多。那些需要頻繁通信的IoT應(yīng)用可以選擇NB-IoT，比如，連接遠(yuǎn)程環(huán)境傳感器，以測量不同的天氣要素，如壓力、濕度、風(fēng)速、溫度等。

據(jù)Counterpoint發(fā)布的統(tǒng)計(jì)報(bào)告，在全球NB-IoT模組所采用的芯片解決方案中，高通穩(wěn)居市場第一，占有約一半的市場份額;出貨量排名第二的是華為海思，紫光展銳位居第三。以華為海思NB-IoT芯片Boudica 200為例，該產(chǎn)品于2020年在個(gè)人穿戴、資產(chǎn)跟蹤和工業(yè)檢測等領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)原型應(yīng)用。

2021年，移遠(yuǎn)通信正式推出其第三代5G NB-IoT系列模組BC95-CNV和BC28-CNV，兩款模組均基于海思Boudica 200平臺，同時(shí)增加了藍(lán)牙、OpenCPU、GNSS定位等能力，模組的集成度、性價(jià)比和安全性得到大幅提升，為智能表計(jì)、煙感、智能停車、智慧路燈等百萬級成熟NB-IoT應(yīng)用提供了更優(yōu)選擇。

LoRa是在物理層中使用的調(diào)制技術(shù)，通過使用CSS調(diào)制實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程低功率通信，擁有很強(qiáng)的抗干擾能力和低信噪比水平。LoRaWAN與藍(lán)牙類似，但它為小數(shù)據(jù)包提供了更長的傳輸范圍，并且功耗較低。根據(jù)LoRa聯(lián)盟的數(shù)據(jù)，截至2019年4月，全球55個(gè)國家已經(jīng)建立了113個(gè)LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)，而NB-IoT網(wǎng)絡(luò)約為90個(gè)。在天然氣、水設(shè)施以及智能電表等公用事業(yè)，LoRaWAN的市場表現(xiàn)最為突出。根據(jù)ABI的調(diào)研，中國是智能表計(jì)項(xiàng)目中LoRaWAN的早期采用者，約占全球2018年出貨芯片的65%。

最近，LoRaWAN被國際電信聯(lián)盟(ITU)正式批準(zhǔn)成為LPWAN的通信標(biāo)準(zhǔn)。同期，LoRa聯(lián)盟給出的最新數(shù)據(jù)表明，截至2021年12月，全球已經(jīng)部署了270多萬個(gè)基于LoRa的網(wǎng)關(guān)，基于LoRa的終端節(jié)點(diǎn)累計(jì)超過2.8億個(gè)。預(yù)計(jì)到2026年，50%的LPWAN物聯(lián)網(wǎng)解決方案將會(huì)使用LoRa方案。隨著物聯(lián)網(wǎng)市場的不斷發(fā)展，LoRaWAN和NB-IoT這兩個(gè)無線通信方案，將通過在一些垂直市場上的競爭，并根據(jù)各種物聯(lián)網(wǎng)使用案例的成本、覆蓋率和帶寬要求在其他垂直市場上實(shí)現(xiàn)互補(bǔ)，并在市場上共存。

Semtech是LoRa聯(lián)盟的主要?jiǎng)?chuàng)始成員，其LoRa產(chǎn)品線包括網(wǎng)關(guān)、收發(fā)器、接收器和發(fā)射器，涵蓋從低kHz到2.4GHz的工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)療(ISM)頻段的無線電頻譜。采用Semtech專利調(diào)制技術(shù)的LoRa產(chǎn)品SX1276/77/78/79擁有-148dBm的高靈敏度，將超高靈敏度與集成的+20dBm功率放大器相結(jié)合，產(chǎn)生了行業(yè)領(lǐng)先的鏈路預(yù)算，使得這一產(chǎn)品系列成為穩(wěn)健性應(yīng)用的最佳選擇。目前，這些產(chǎn)品已用于自動(dòng)讀表、家庭和樓宇自動(dòng)化、無線警報(bào)和安全系統(tǒng)、工業(yè)監(jiān)控、遠(yuǎn)距離灌溉系統(tǒng)等諸多領(lǐng)域。

#02

藍(lán)牙和藍(lán)牙低功耗(BLE)

藍(lán)牙是一種短距離無線通信技術(shù)，它最初是為無線耳機(jī)設(shè)計(jì)的，但后來擴(kuò)展到視頻游戲控制器、打印機(jī)、揚(yáng)聲器等應(yīng)用。目前有兩種藍(lán)牙版本，即經(jīng)典藍(lán)牙和藍(lán)牙低功耗(BLE)。經(jīng)典藍(lán)牙(Bluetooth Classic)最初用于消費(fèi)設(shè)備之間的點(diǎn)對點(diǎn)或點(diǎn)對多點(diǎn)(最多七個(gè)從屬節(jié)點(diǎn))的數(shù)據(jù)交換。后來，針對功耗進(jìn)行優(yōu)化，引入了藍(lán)牙低功耗技術(shù)以此解決功耗敏感型的IoT應(yīng)用需求。

支持BLE的IoT設(shè)備通常與智能設(shè)備(如智能手機(jī))一起使用，在這里，智能手機(jī)主要負(fù)責(zé)向云端傳輸數(shù)據(jù)。現(xiàn)在，BLE被廣泛集成到健身和醫(yī)用可穿戴設(shè)備(如智能手表、血糖儀、脈搏血氧儀等)以及智能家居設(shè)備(如門鎖)中。2017年發(fā)布的藍(lán)牙Mesh規(guī)范實(shí)現(xiàn)了更具可擴(kuò)展性的設(shè)備部署，特別是在零售環(huán)境中。BLE beacon網(wǎng)絡(luò)因提供多種室內(nèi)定位功能，可用于解鎖新的服務(wù)創(chuàng)新，如內(nèi)容交付、店內(nèi)導(dǎo)航和個(gè)性化促銷等。這些新技術(shù)的出現(xiàn)都是面向市場需求藍(lán)牙技術(shù)不斷擴(kuò)展的結(jié)果。

STMicroelectronics公司的STM32WB MCU是一款雙核多協(xié)議無線MCU，同時(shí)支持BLE、Zigbee和Thread等無線通信標(biāo)準(zhǔn)，該芯片的雙核分別是運(yùn)行于64MHz的Arm Cortex-M4(應(yīng)用處理器)和運(yùn)行于32MHz的Arm Cortex-M0+(網(wǎng)絡(luò)處理器)。BLE射頻收發(fā)器采用藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟認(rèn)可的Bluetooth5.0無線協(xié)議棧和配置文件，符合Mesh配置文件要求的V1.0藍(lán)牙技術(shù)聯(lián)盟版本，以及適用于任何藍(lán)牙低功耗或?qū)Ｓ薪鉀Q方案(包括Zephyr或Arm Cordio協(xié)議棧)的HCI。通用的IEEE 802.15.4 MAC層確保STM32WB可以運(yùn)行專有協(xié)議或全棧，包括Zigbee PRO 2017和低功耗OpenThread Mesh網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，為設(shè)計(jì)人員提供更多將設(shè)備連接到物聯(lián)網(wǎng)(IoT)的選項(xiàng)。

圖4：雙核多協(xié)議無線STM32WB MCU選型參考

(圖源：STMicroelectronics)

#03

Zigbee和其他Mesh協(xié)議

Zigbee是一種短距離、低功耗的無線標(biāo)準(zhǔn)(IEEE 802.15.4)，工作頻率為2.4GHz，耗電極少。通常部署在網(wǎng)狀拓?fù)渲校ㄟ^在多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)上中繼傳感器數(shù)據(jù)來擴(kuò)展覆蓋范圍。與LPWAN相比，Zigbee提供了更高的數(shù)據(jù)傳輸速率，但同時(shí)，由于網(wǎng)格配置，功率效率要低得多。通常情況下，Zigbee是Wi-Fi的完美補(bǔ)充，是智慧照明、HVAC控制、智能儀表、家庭能源、安全監(jiān)控和智能恒溫器等家庭自動(dòng)化應(yīng)用的理想選擇。

在LPWAN出現(xiàn)之前，mesh網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)在工業(yè)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)，支持多種遠(yuǎn)程監(jiān)控解決方案。然而，對于地理位置分散的許多工業(yè)設(shè)施來說，它們遠(yuǎn)不是理想的方案，而且它們的理論可擴(kuò)展性往往受到日益復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)設(shè)置和管理的限制。由于物理距離較短(<100m)，Zigbee和類似的mesh協(xié)議(如Z-Wave、Thread等)非常適合近距離、節(jié)點(diǎn)均勻分布在附近的中距離IoT應(yīng)用。

CC2652R7是Texas Instruments(TI)公司SimpleLink系列中的一個(gè)多協(xié)議2.4GHz無線MCU，內(nèi)置ARM Cortex-M0 M4F內(nèi)核，通過動(dòng)態(tài)多協(xié)議管理器(DMM)驅(qū)動(dòng)程序支持Thread、Zigbee、Matter、藍(lán)牙、IEEE 802.15.4g等并發(fā)多協(xié)議。CC2652R7具有0.9μA的超低休眠電流，除了M4F處理器外，還配置了一個(gè)具有快速喚醒功能的超低功耗傳感器控制器CPU，能夠在1μA系統(tǒng)電流下進(jìn)行1Hz的ADC采樣。

圖5：支持Thread、Zigbee、Matter、藍(lán)牙等并發(fā)多協(xié)議的CC2652R7結(jié)構(gòu)框圖(圖源：TI)

#04

Wi-Fi

Wi-Fi是當(dāng)今應(yīng)用最廣泛的無線通信技術(shù)之一，它的版本比較多，如802.11b、802.11n、802.11a、802.11g和802.11ac，這些標(biāo)準(zhǔn)在數(shù)據(jù)速度和成本方面差異很大。傳輸頻率高是Wi-Fi與其他無線技術(shù)的一個(gè)關(guān)鍵區(qū)別，這意味著它可以攜帶更多的數(shù)據(jù)。不過，Wi-Fi的功率要求很高，覆蓋范圍有限。雖然Wi-Fi在企業(yè)和家庭中有著極其廣泛的應(yīng)用，但在IoT領(lǐng)域，因其在覆蓋范圍、可擴(kuò)展性和功耗方面的限制，大大降低了它的普及程度。對于不使用電池供電且需要傳輸大量數(shù)據(jù)的IoT應(yīng)用，Wi-Fi仍然是一個(gè)極好的選擇。新一代的Wi-Fi 6，網(wǎng)絡(luò)帶寬最高已達(dá)到9.6Gbps，大幅提升了設(shè)備的數(shù)據(jù)吞吐量，有助于增強(qiáng)公共Wi-Fi基礎(chǔ)設(shè)施，同時(shí)改善娛樂和零售行業(yè)數(shù)字服務(wù)的客戶體驗(yàn)。如果將Wi-Fi 6用于信息娛樂和車載診斷的車內(nèi)網(wǎng)絡(luò)，這將成為最能改變游戲規(guī)則的Wi-Fi使用案例。

TI公司的CC3135 CC3135 SimpleLink Wi-Fi網(wǎng)絡(luò)處理器，可以將任何微控制器連接至IoT。該器件包含的Arm Cortex-M3 MCU，專門用于Wi-Fi和互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議，從而讓主機(jī)MCU不再承擔(dān)網(wǎng)絡(luò)活動(dòng)負(fù)載。CC3135具有雙頻段802.11a/b/g/n無線電、基帶和MAC，具有強(qiáng)大加密引擎，這些功能提供采用256位加密的快速、安全互聯(lián)網(wǎng)連接，內(nèi)置電源管理功能，從而實(shí)現(xiàn)最佳低功耗性能。

圖6：CC3135 SimpleLink雙頻段網(wǎng)絡(luò)處理器Wi-Fi與藍(lán)牙共存(圖源：TI)

#05

RFID

射頻識別(RFID)利用無線電波在短距離內(nèi)將少量數(shù)據(jù)從RFID標(biāo)簽傳輸?shù)介喿x器。這種物聯(lián)網(wǎng)無線技術(shù)既可以在視線之外工作，也可以在連接標(biāo)簽時(shí)工作，標(biāo)簽?zāi)茉趲桌迕咨踔翈酌椎姆秶鷥?nèi)讀取。通過在各種產(chǎn)品和設(shè)備上貼上RFID標(biāo)簽，企業(yè)可以實(shí)時(shí)跟蹤庫存和資產(chǎn)，從而實(shí)現(xiàn)更好的庫存和生產(chǎn)計(jì)劃以及優(yōu)化的供應(yīng)鏈管理。隨著IoT采用率的提高，RFID繼續(xù)在零售行業(yè)占據(jù)一席之地，支持智能貨架、自助結(jié)賬和智能鏡子等新的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。

NXP Semiconductors擁有豐富的RFID系列產(chǎn)品。以UCODE DNA系列為例，這是一款結(jié)合遠(yuǎn)距離讀取性能與加密驗(yàn)證功能的UHF(超高頻)RAIN RFID標(biāo)簽IC。借助這款產(chǎn)品，開發(fā)人員無需在非接觸式性能和應(yīng)用安全需求之間進(jìn)行取舍。該標(biāo)簽IC將先進(jìn)的非接觸式性能與加密安全性相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了各種智能城市應(yīng)用，如資產(chǎn)標(biāo)簽、自動(dòng)車輛識別、訪問控制和供應(yīng)鏈管理。UCODE DNA RAIN RFID的安全性基于存儲(chǔ)在IC硬件中的128位AES密鑰，并執(zhí)行加密身份驗(yàn)證檢查。

圖7：NXP RAIN RFID標(biāo)簽IC用于自動(dòng)車輛識別方框圖

(圖源：NXP)

#06

蜂窩技術(shù)4G/5G

蜂窩網(wǎng)絡(luò)為消費(fèi)者移動(dòng)市場提供可靠的寬帶通信，如視頻流和語音呼叫應(yīng)用。然而，這些無線技術(shù)具有高功耗和高運(yùn)營成本。雖然蜂窩網(wǎng)絡(luò)不適用于大多數(shù)由電池驅(qū)動(dòng)的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，但它們對于一些特定應(yīng)用非常適合，如車內(nèi)信息娛樂、高級駕駛員輔助系統(tǒng)(ADAS)以及車隊(duì)遠(yuǎn)程信息處理和跟蹤服務(wù)，都可以依賴無處不在的高帶寬蜂窩連接。在IoT領(lǐng)域，具有超低延遲和高速移動(dòng)支持的5G等蜂窩技術(shù)有望成為增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(AR)和自動(dòng)駕駛的未來。由于通信延遲比4G短10倍，5G正在成為工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)(IIoT)、醫(yī)療數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸和公共安全監(jiān)控視頻等時(shí)間關(guān)鍵型應(yīng)用的絕佳選擇。

如何選擇最適合的物聯(lián)網(wǎng)無線技術(shù)?

要選擇正確的物聯(lián)網(wǎng)無線技術(shù)，需要根據(jù)具體需求來評估，在功耗、數(shù)據(jù)范圍和帶寬之間進(jìn)行權(quán)衡，同時(shí)還要考慮電池大小、成本、傳輸距離以及固件更新等因素。下面我們列出以下幾個(gè)問題，回答了這些問題后，你可能就找到了答案：

您需要傳輸多少數(shù)據(jù)?

需要的功率是多少?

數(shù)據(jù)源離互聯(lián)網(wǎng)有多遠(yuǎn)?

服務(wù)費(fèi)用有多高?

這些設(shè)備將在哪里使用?(比如在建筑物內(nèi)使用還是在建筑物外使用)

物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中有許多優(yōu)秀的無線通信技術(shù)。然而，沒有一種技術(shù)是面面俱到的。選擇最佳無線技術(shù)首先取決于物聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目的具體要求和需求。此外，準(zhǔn)確評估帶寬、功耗、QoS、網(wǎng)絡(luò)管理、安全性和覆蓋范圍有助于縮小選擇范圍。

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原文標(biāo)題：六種主流物聯(lián)網(wǎng)無線技術(shù)盤點(diǎn)：一文治愈你的無線選擇困難癥!

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審核編輯：湯梓紅