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物联网标准:游戏终结者

时间:2019-05-14 作者:Cees Links,Qorvo公司无线连接业务部总经理 阅读:
一个常见的问题是:设计物联网(IoT)产品应采用什么标准?Qorvo的Cees Links给出了最佳选择。

经常有人问我这样的问题:面对令人眼花缭乱的各种标准,我应该选择哪一种?Zigbee、Thread、Bluetooth Mesh,还是Wi-Fi?还是LoRa?还是最好等待5G和NB-IoT?

当然,这些疑问会使人感到困惑,并阻碍物联网(IoT)的普及。如下图所示,造成这种困惑的部分原因是,我们很难确定哪种标准最合适。此外,市场营销人员对新标准的性能提出了不切实际的要求,如延迟(“小于几毫秒!”),好像这真的有必要似的。事实并非如此。大多数应用可以接受数秒的延迟;即使电视直播延迟了几秒钟,它仍然是电视直播。

IoTStandard-1.jpg

那么,我们如何回答“应该使用哪种标准?”通常,遇到这个问题时,我会反问“您依靠什么盈利?”一般来说,无线电标准不是盈利的决定性因素。对于无线电,大多数情况是“够用就行”,是否盈利取决于无线网络上运行的应用所创造的价值。无线网络只是无线网络,就像电线就只是电线一样。

请记住:无论现在的无线标准是什么,5-10年后情况可能还会发生变化,所以升级您的网络至关重要。但距离“终极”无线网络技术出现仍需很长时间。

那么,我们能否展望未来,预测一下未来的发展方向?我相信预测是可行的,但首先需要介绍一些观点。

技术与心理的关系

我们的智能手机配备了三种无线电(4G、Wi-Fi和蓝牙)。为什么是三种,而不是两种(如平板电脑),或一种、四种?这是因为无线电种类与技术以及我们对不同生活空间的心理态度有关。我来解释一下。

首先,技术。在很大程度上,无线电性能取决于三个因素:

● 范围(您离基站的距离,如发射塔、路由器、热点等)

● 数据速率(从简单的语音通话到观看视频)

● 电池寿命(越长越好)

第四个因素通常是成本,有一个简单的原则:“越多越贵”。换句话说,更大的范围通常成本更昂贵;同样的道理也适用于更高的数据速率和更长的电池寿命。然而,从技术上讲,一切皆有可能,您可以只配备一种无线电;这种方式不一定经济高效,但您可以选择。

还有一个极端的例子。试想一下,用无线(蓝牙)耳机听手机音乐,耳机直接与手机连接,而不与蜂窝网络连接。然而,从技术上讲,也可以将手机和耳机都连接到蜂窝网络,然后让音乐从手机经过蜂窝网络传输到耳机。

另一个例子是:当您在家中用电脑在Wi-Fi打印机上打印文档时,您是否认为这份文档从电脑直接通过无线传输到打印机上?从技术上讲,这是可能的(例如,通过蓝牙或Wi-Fi Direct连接),但也有可能通过Wi-Fi连接到家庭路由器,并从家庭路由器经过Wi-Fi连接到打印机。还可以将打印命令发送到云,将文档直接从云服务器经过电缆(或光纤)网络传输到家庭路由器,然后无线传输到打印机。使用有线和无线网络组合传输信息的方法不计其数,坦白来说,我们已经迷失了方向,细节也变得无关紧要。只要正常运行,各种方法都可以接受。

其次,我们是如何体验空间的?这与技术关系不大,而更多与心理学相关。从最小的层面来说,我们首先体验的是个人空间。是否曾经有人谈话时离您太近,使您感到不舒服?如果有这样的经历,您一定能明白我说的“个人空间”是什么意思。个人空间就像与您如影随形的弹性气泡,大小经常会发生变化;如果身处繁忙的地铁,您的个人空间要比在餐馆或办公室小得多。

通过声音或视觉能够达到的距离也可能构成空间。此类空间可能是家或办公室。与外面的世界相比,这里属于私人领地。我们有时会区分不同的空间,如室内和室外,或私人和公共空间。此外,还有由政府所有和管理的室外公共空间。

如果把这三个空间与手机的三种无线电对应起来,就会带来一种连续性:蓝牙无线电适合个人空间(我们的气泡),Wi-Fi适合私人空间,3G/4G以及即将到来的5G适合公共空间的连接。巧合?也许不是。曾经参与“标准之战”的人都知道,并不存在最高委员会能够决定如何对三个空间划分不同的无线电和标准。一切标准都是约定俗成的。

过去20-30年中,每种标准都试图争夺更大的使用空间,其中一些战斗延续至今。新一代公共空间标准5G声称其在室内运行良好,有可能淘汰Wi-Fi。蓝牙最初对Wi-Fi室内市场虎视眈眈(从未成功),而Wi-Fi一直试图用Wi-Fi Direct取代蓝牙市场。尽管Wi-Fi Direct并没有取得优势性胜利,但也没有消亡,Wi-Fi Direct在无人机领域发现了有利的小众市场。

再联想到物联网标准

所以,到目前为止,我们至少了解了为何手机需要配置三种无线电,以及它们如何与我们的“空间”体验方式无缝连接。但是面对种类繁多的低功耗物联网标准,我们应该如何选择?首先,应了解低功耗标准的市场。

低功耗标准的真正目的是在不影响范围的情况下延长电池寿命,而不是提高数据速率。通常,低功耗标准用于将设备(如传感器)连接到网络(IoT),以共享传感器数据,而这一过程所需的数据速率比“正常”互联网使用或观看视频所需的数据速率要低几个数量级。所以,本质上,低功耗标准通过牺牲数据速率来延长电池寿命。

有趣的是,这些低功耗标准也开始涉及上文提到的三种范围:

● 用于个人空间:低功耗蓝牙(有时称蓝牙低能耗,简称BLE)

● 用于我们的私人空间(如家、办公室或热点):Zigbee(IEEE 802.15.4),本质上是一种低功耗Wi-Fi标准

● 用于公共空间:NB-IoT/Cat-X作为4G/5G的一部分

所以,能为各类标准指明发展方向、平息激烈行业讨论的答案也许是:

IoTStandard-2.jpg

这种低功耗/传感和控制兼容非常有意义,因为它对应我们的体验空间以及智能手机上的三种无线电。

这对未来来说意味着什么呢? 

然而,没有什么是确定不变的,展望未来是一项冒险的工作。各种技术继续尝试进入“其他空间”,市场上也正在推行几项计划。包括最大限度地重用现有技术,或进行简单尝试(例如,NB-IoT/Cat-X也可以用于室内网络吗?)。类似地,有人尝试将BLE扩展到网络空间,并增加网格功能来取代Zigbee,就像20年前蓝牙试图取代Wi-Fi一样。这些努力可能不会成功,但是各大公司还是为此投入了大量资金。

值得注意的是,在局域(室内)和广域(公共区域)之间可能存在第四个领域。部分大型室外空间仍然是半私用的,如校园、港口、机场和会议中心。所以,问题在于:我们是否需要为“中间”域设立一种新标准?未来会告诉我们答案。也许现有标准将变得足够灵活(并且具有成本效益),能够满足这种空间需求,或出现更合适的新标准。值得注意的是,作为一种伪室外标准,LoRa在私人和公共区域之间的中间域显现出了一定的优势,尤其是在港口和机场。

开放标准与专有标准

接下来,我将介绍开放标准和专有标准之间的角色。历史证明,开放通信标准往往比封闭标准更加成功。Wi-Fi将HomeRF挤出了市场;同样,BLE淘汰了ANT+。

但其他标准仍处在激烈竞争之中,如Zigbee、Thread和Z-Wave(Silicon Labs)。然而,Zigbee和Thread都是基于开放的IEEE 802.15.4标准(就像Wi-Fi是基于IEEE 802.11标准一样),而Z Wave是专有、封闭标准。鹿死谁手尚未可知,但很可能是Zigbee/Thread的结合;这两种标准已经使用了相同的应用层软件(Dotdot),唯一的区别是网络层软件。

高数据速率与低功耗

对于涉足其他领域的标准,值得注意的是,Wi-Fi(高数据速率)和Zigbee(低功耗)之间的界限也并不明确。从应用空间的角度来看,有些需要更高数据速率的应用同时需要使用电池,因此也需要低功耗。

一段时间以来,人们一直致力于降低Wi-Fi的功耗。IEEE 802.11ah就是一个例子,尽管它似乎不可行,因为它在GHz以下的频段运行,缺乏一致性;全球不同的地区需要不同的无线电技术。然而,如果Wi-Fi 4(.11n)和Wi-Fi 5(.11ac)功率降得足够低,换句话说,电池寿命足够长,其低功耗版本可能成为Zigbee的替代品。

总结

以上就是无线电开发人员需要了解的未来发展趋势和要闻。然而,前述规律始终不变:归根到底,为最终用户创造价值的是应用的实用性,而不是无线网络。时间只会告诉我们哪些标准是最成功的,但是如果您现在就知道如何盈利,便无需继续等待。

本文为《电子技术设计》2019年5月刊杂志文章。

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