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比较工业物联网中的几种主流无线技术

时间:2019-07-29 作者:廖均 阅读:
工业物联网的无线通信技术主要分为两类:一类是ZigBee、WiFi、蓝牙等短距离通信技术;另一类是LoRa、SigFox、NB-IoT等低功耗广域网通信技术。不同的无线技术在组网、功耗、通讯距离、安全性等方面各有差别,因此拥有不同的适用场景。本文对这些无线技术进行了比较。

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大型生产场景中涉及大量的设备、生产应用系统、工人和产品,稳定、高速、易管理的无线网络是必不可少的需求。

工业物联网的无线通信技术主要分为两类:一类是ZigBee、WiFi、蓝牙等短距离通信技术;另一类是LPWAN(low-power Wide-Area Network),即低功耗广域网通信技术。LPWAN又分为两类:一类是工作于未授权频谱的LoRa、SigFox等技术;另一类是工作于授权频谱下,3GPP支持的2/3/4G蜂窝通信技术,比如EC-GSM、LTE Cat-m、NB-IoT等。

不同的无线技术在组网、功耗、通讯距离、安全性等方面各有差别,因此拥有不同的适用场景。例如,Sub-1GHz技术适用于传输距离远、电池供电、须具备强健性的应用环境;蓝牙适合高速、传输更多信息、通过手机控制的状况;Thread、Wi-Fi等技术也有各自的优势与适用情境。

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工业4.0应用场景中的无线连接

值得注意的是,新的无线技术标准也在不断涌现。例如,作为传统WiFi技术的扩展和补充,Wi-Fi HaLow可提供独特的安全、远距离、低功耗和高度优化的无线连接组合,极大地提升了工厂自动化的管理效率。

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工业物联网中不同无线技术的性能比较


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工业物联网中不同无线技术的传输速率与距离

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工业物联网中不同无线技术的接收效率和距离

下面分别列出了工业物联网中最常见的几种无线技术:

ZigBee、蓝牙、Lora、NB-IoT、Sigfox,以及最新的WiFi Halow技术。

ZigBee技术

ZigBee被正式提出来是在2003年,它的出现是为了弥补蓝牙通信协议的高复杂、功耗大、距离近、组网规模太小等缺陷。名称取自蜜蜂,蜜蜂(Bee)是靠飞翔和“嗡嗡”(zig)地抖动翅膀的“舞蹈”来与同伴传递花粉所在的方位信息,依靠这样的方式构成了群体中的通信网络。

ZigBee可工作在三个频段868MHz~868.6MHz、902MHz~928MHz和2.4GHz~2.4835GHz,其中最后一个频段世界范围内通用,16个信道,为免付费、免申请的无线电频段。三个频段传输速率分别为20kbps、40kbps以及250kbps。

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ZigBee是低成本、低功耗、低功率的短距离无线通信标准,是专为低速率传感器和控制网络而设计的无线网络规范,具有如下特点:

低功耗:由于ZigBee的传输速率低,发射功率仅为1mW,而且采用了休眠模式,因此ZigBee设备非常省电。据估算,ZigBee设备仅靠两节5号电池就可以维持长达6个月到2年左右的使用时间,其他无线设备望尘莫及。

 

成本低:ZigBee模块的初始成本在6美元左右,估计很快就能降到1.5~2.5美元,并且ZigBee协议免专利费。

复杂性低:ZigBee协议的大小一般在4~32KB,而蓝牙和WiFi一般都超过100KB。

时延短:通信时延和从休眠状态激活的时延非常短,典型的搜索设备时延为30ms,休眠激活的时延是15ms, 活动设备信道接入的时延为15ms。因此ZigBee技术适用于对时延要求苛刻的无线控制(如工业控制场合等)应用。

网络容量大:一个星型结构的ZigBee网络最多可以容纳254个从设备和一个主设备, 一个区域内最多可以同时存在100个ZigBee网络, 一个网络中最多可以有65000个节点连接,网络组成灵活。

可靠:采取了碰撞避免策略,为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙,避开了发送数据的竞争和冲突。MAC层采用完全确认的数据传输模式, 每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息。如果传输过程中出现问题可以进行重发。

安全:ZigBee提供了基于循环冗余校验(CRC)的数据包完整性检查功能,支持鉴权和认证,采用AES-128的加密算法,各个应用可以灵活确定其安全属性。

ZigBee虽然具有低功耗、低成本,低速率、高容量、长电池寿命等优点,但也有缺点,即抗干扰性差,通信距离短,而且ZigBee协议没有开源。

蓝牙技术

蓝牙技术最早始于1994,由电信巨头爱立信公司研发,是在两个设备间进行无线短距离通信的最简单、最便捷的方法,可实现固定设备、移动设备和楼宇个人域网之间的短距离数据交换。蓝牙技术被广泛地用于手机、PDA等移动设备,PC、GPS设备,以及大量的无线外围设备(蓝牙耳机、蓝牙键盘等)。

蓝牙采用跳频技术,通信频段为2.402GHz~2.480GHz。截止目前为止已经更新了10个版本,分别为蓝牙1.0/1.1/1.2/2.0/2.1/3.0/4.0/4.1/4.2/5.0,通信半径从几米到几百米延伸。

相比之前的蓝牙4.2甚至更老的版本,蓝牙5.0有如下特点:

更快的传输速度:速度上限为2Mbps,是之前4.2LE版本的2倍。

更远的有效距离:有效距离是上一版本的4倍。理论上,蓝牙发射和接收设备之间的有效工作距离可达300米。

导航功能:添加了更多的导航功能,可以作为室内导航信标或类似定位设备使用,结合WiFi可以实现精度小于1米的室内定位。

更多的传输功能:增加了更多的数据传输功能,硬件厂商可以通过蓝牙5.0创建更复杂的连接系统,比如Beacon或位置服务。

更低的功耗:大大降低了功耗,人们在使用蓝牙的过程中再也不必担心待机时间的问题。

蓝牙技术的最大的优点是不依赖于外部网络、速率快、低功耗,安全性高。只要有手机和智能设备,就能保持稳定的连接,走到哪连到哪。其缺点是不能直接连接云端,传输速度比较慢,组网能力比较弱,而且网络节点少,不适合多点布控。

LoRa技术

LoRa是美国Semtech公司开发和推广的一种基于扩频技术的超远距离、低功耗无线传输方案,为用户提供了一种能实现远距离、长电池寿命、大容量的简单系统,进而扩展传感网络。目前LoRa 主要在全球免费频段运行,工作频率在美国是915MHz,在欧洲是868MHz,在亚洲是433MHz。其典型范围是2km至5km,最长距离可达15km,具体取决于所处的位置和天线特性。

LoRa技术具有如下特点:

低功耗:通信距离可达15公里,接受电流仅10mA,睡眠电流200nA,延长了电池的使用寿命。

大容量:在建筑密集的城市环境可以覆盖2公里左右,而在密度较低的郊区覆盖范围可达10公里。

支持测距和定位:LoRa对距离的测量是基于信号的空中传输时间,定位则基于多点(网关)对一点(节点)空间传输时间差的测量,定位精度可达5m(假设10km的范围)。

因此,LoRa技术非常适于要求低功耗、远距离、大量连接以及定位跟踪等的物联网应用,如能停车、车辆追踪、智慧工业、智慧城市、智慧社区等。

LoRa的缺点是传输速率慢,通信频段易受干扰,芯片供应被Semtech垄断,从底层开发周期较长,以及自组网的网络机制较为复杂,因此一般公司不愿研究LoRa技术,更愿意买模块直接用。

NB-IoT技术

NB-IoT(窄带物联网)技术起源于一家英国新创公司Neul(2014年被华为收购),聚焦于低功耗广覆盖物联网(IoT)市场。

与使用标准LTE的全部10MHz或20MHz带宽不同,NB-IoT使用包含12个15kHz LTE子载波的180kHz宽的资源块,数据速率在100kb/s到1Mb/s范围之内。

NB-IoT使用授权频段,可采取带内、保护带或独立载波等三种部署方式,与现有网络共存。

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作为一项应用于低速率业务的技术,NB-IoT的优势主要有:

低功耗:NB-IoT牺牲了速率,却换回了更低的功耗。采用简化的协议,更合适的设计,大幅提升了终端的待机时间,部分NB终端的待机时间号称可以达到10年! 

低成本:与LoRa相比,NB-IoT无需重新建网,射频和天线基本上都可以复用。低速率、低功耗、低带宽同样给NB-IoT芯片以及模块带来低成本优势,模块价格不超过5美元。

海量连接:在同一基站的情况下,NB-IoT可比现有无线技术提供50~100倍的接入数。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。

广覆盖:NB-IoT室内覆盖能力强,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。

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虽然NB-IoT具有很多优点,但其低速数据传输、隐私和安全、IT系统的转换时间等问题,都将限制其发展。

Sigfox技术

Sigfox源自法国的Sigfox公司以超窄带(UNB,Ultra Narrow Band)技术建设的无线网络,既是一种无线技术,也是一种网络服务。

Sigfox工作在868MHz和902MHz的ISM频段,消耗很窄的带宽或功耗。

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Sigfox无线电设备采用一种被称为超窄带(UNB)调制的技术,偶尔以低数据速率传送短消息,消息最长是12个字节,一个节点每天可以传送的消息数量最多140条。由于是窄带宽和短消息,因此除了其162dB的链路预算外,还可以达到数公里的长传输距离。对于仅需发送较小的不频繁数据的突发应用,Sigfox是绝佳选择。

Sigfox的缺点是数据发送回传感器/设备(下行链路能力)受到严重限制,信号干扰也可能成为问题。

HaLow技术

连接不稳,效率不高,时段时续,这些一直是WiFi技术让人头疼的问题。

HaLow是适合工业物联网应用的新版WiFi,代号是802.11ah,它使WiFi可以应用到更多地方,如小尺寸、电池供电的可穿戴设备,同时也适用于工业设施内的部署,以及介于两者之间的应用。

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HaLow采用900MHz频段,低于当前WiFi的2.4GHz和5GHz频段,更适合小量数据负荷以及低功耗设备。美国使用902MHz至928MHz的免许可频段, 其它国家使用1GHz以下的类似频段。虽然大多数WiFi设备在理想条件下最大只能达到100m的覆盖范围,但HaLow在使用合适天线的情况下可以远达1km,信号更强,且不容易被干扰。HaLow号称传输距离是标准2.4GHz WiFi的两倍,而且穿墙能力更强。

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HaLow不适于快速传输数据,也不适合网页浏览(这对物联设备影响不大)。另外,900MHz是未经授权的频段,容易受到干扰。

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工业物联网无线技术参数比较

哪种技术将胜出?

据市场研究机构IHS Markit的最新报告,在低功耗广域网无线技术中,LoRa与NB-IoT可说是遥遥领先,LTE-M版本的4G蜂窝技术位居第三名,Sigfox紧随其后。

IHS Markit预测,NB-IoT与LoRa到2023年可望占据所有LPWAN链路的86%,2023年将会是这两种技术的竞争,其中更多私有网络将采用LoRa,NB-IoT则主要应用于公共网络。

值得一提的是,华为旗下的海思(HiSilicon)是目前NB-IoT芯片的领导供货商,其中有九成布署于中国;排名第二的NB-IoT芯片供货商是台湾的联发科(Mediatek),第三大供货商则是中国的紫光展锐(Unisoc)。

而Sigfox主要依靠一家创投公司支持,成为全球物联网运营商并保持技术专有。IHS Markit的调查报告显示,2017年Sigfox的出货量还不到9,000个模块,市占率排名第三,远远落后于LoRa和NB-IoT。IHS Markit预测Sigfox的年销售可望在2021年时成长10倍,但仍位居LoRa和NB-IoT之后。

与此同时,蓝牙联盟和Wi-Fi联盟都使出了自己的大招。蓝牙 5.0 提升的信号覆盖范围号称能覆盖整栋公寓,足以媲美家用 WiFi 路由器的数据传输距离。HaLow则融合了以前WiFi技术与蓝牙的优点。

在工业物联网中,客户的需求是丰富多样的,单一技术无法解决客户的所有问题。不同的无线技术彼此竞争,同时又互为补充,因为工业物联网的未来,没有一种通信技术能够一统天下。

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廖均
电子技术设计(EDN China)产业分析师
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