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Pasternack博客

物联网无线标准概述

随着大量日常用物被越来越多地赋予互联网连接和各种辅助功能,物联网也逐渐从梦想照进了现实。物联网设备的根基在于传感器、控制器、执行器和显示器经互联网这一统一平台进行通信的能力。然而,由于许多应用和环境无法实现经以太网或光纤等实体线路通信的互联网,因此利用无线集线器与物联网设备进行更加灵活的无线通信便成为一种替代方案。

对于许多应用而言,人们极其希望互联网的通信不受物理连线的束缚。此类应用例如包括医疗用途中的患者监测,都市临街店面或零售店的无线信标,以及需要在大量相互协作的机器之间实现彼此通信的工业用途。由于现实中的无线物联网设备种类繁多,因此此类新兴设备所采用的无线标准/协议和无线通信方法也是五花八门。本文将对物联网领域中常用或可能被采用的无线标准做一简单的介绍。

物联网领域中的无线标准

低功耗广域网(LPWA)

  • 长程(LoRa)
  • SigFox
  • Ingenu
  • Weightless
  • NB-IoT

 

中短程物联网无线网络技术

  • Zigbee/IEEE 802.15.4
  • Thread
  • 蓝牙
  • Z-Wave
  • WiFi
  • WirelessHART
  • RFID/NFC

 

蜂窝4G/5G

  • 3G
  • 4G(LTE)
  • 5G(6GHz以下)
  • 5G(毫米波)*未来预计采用

当今,物联网无线标准常用的频率为2.4GHz,即蓝牙、Zigbee、Thread、WiFi等标准共享的ISM频段。实际上,所有无线物联网应用的频率均为6GHz以下,其中工作频率最高的物联网技术为5GHz WiFi和高频蜂窝。然而,IEEE 802.11ah、802.11af或其他电视白频段(TVWS)技术的未来发展可能会实现400MHz~700MHz以上非蜂窝频段(美国)内的无线物联网应用。其中,TVWS这一低频段为低功率长程通信打开了一扇大门。

由于各种无线标准不但在基础设施、设计资源、供应商、模块尺寸、认证难度、授权成本等方面有所不同,而且在工作频率、调制方法和协议、最大输出功率限制、用电效率、有效距离、联网类型、干扰问题、设计/安装复杂性方面独具特色且各有千秋,因此具体标准之间的取舍牵涉着纷繁复杂的考量。

虽然某些国家或地区之间存在一些通用的无线标准,但是由于每个国家或地区对无线电频率的管制方式不同,因此导致如下乱象:部分无线物联网设备实际上使用未授权频段;某些无线物联网频段要求申请许可证,而且要求额外的使用费用;某些目前可用的频段可能在将来会通过许可政策对使用地点和使用方式进行限制;部分无线标准/协议本身归某些结构专有,而且设备硬件必须从授权分销商处购买,或者可能需要申请IP许可证。除此之外,也有某些物联网无线标准(如LoRa和Thread)为开放标准,而且是许多业内合作伙伴、专家和协会共同开发的结晶。

在选好无线标准后,物联网OEM还需选择该标准下的认证设备,或者自行研发符合该标准的设备。此类设备通常为通信芯片或集成有通信功能的微控制器/微处理器(MCU / MPU)。为了实行所述无线标准,物联网OEM随后还需将上述设备与符合该标准的相应射频元器件、天线及互连件设计至同一电路中,而且一般还需接受和通过各国的电磁干扰(EMI)辐射和耐受性方面的认证,即所谓的电磁兼容性(EMC)认证。