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5G物联网无线通信,蜂巢式与非蜂巢式网络该如何选择?

2022-10-08 16:38:32 Pablo Valerio,EE Times特约记者 阅读:
物联网无线通信网络技术可以大致区分为蜂巢式与非蜂巢式网络两大类?该如何选择,取决于连接需求、装置数量、功耗、部署区域和成本…

大约四年前,笔者撰写了《Top wireless standards for IoT devices》一文,对市场上可用的不同无线网络技术进行了广泛的介绍。当时,所安装的大多数连接装置都使用传统的2G蜂巢网络和M2M通讯技术,使用SMS和GPRS/EDGE传输数据。iHAednc

当时,物联网的新LTE标准——LTE-M和窄频物联网(NB-IoT)——开始出现,它们在蜂巢网络上提供了新的低功耗广域连接。这使得大规模的物联网应用得以部署,特别是在工业和农业方面。多年来,LTE-M在美国变得非常流行,而NB-IoT则在亚洲和欧洲成为首选标准。iHAednc

此外,由于LTE-M和NB-IoT都出现在了5G New Radio (NR)的规范中,因此两者都为5G提供了清晰的路径。iHAednc

如今,对于大多数需要低功耗,以及蜂巢网络的安全性和可用性的大规模物联网应用来说,NB-IoT和LTE-M是首选的解决方案。虽然两者都支持数千个连接的大规模物联网部署,但它们也存在一些差异:NB-IoT所需的功率更少且所需的调制解调器更小,因此非常适合依靠电池运作的小型装置,但它(尚)不支持SMS或语音;LTE-M则需要更多功率,但它支持SMS和基本的语音通讯。iHAednc

从蜂巢服务提供商的角度和盈利能力来看,LTE-M使其能够透过软件更新来支持现有4G网络上的服务,而NB-IoT则需要额外的硬件。iHAednc

随着5G网络的到来,LTE-M和NB-IoT都成为规范的一部分,因此可以直接得到支持。此外,对于需要更多带宽但不需要完整网络功能的物联网应用,还有5G NR-REDCAP,它在低频段频谱上提供了与LTE类似的性能。iHAednc

5G透过网络切片提供新的可能性

从定义规格到创建基础设施,经过几年的发展,我们已经看到在过去三年中,全球主要城市出现了首个商用5G网络。iHAednc

虽然5G最初的关注点集中在新标准的更高带宽、更低延迟和可靠性上,但新一代蜂巢连接的真正好处是5G的可程序设计性、更低功耗,以及灵活性。NR最关键的功能之一是网络切片。iHAednc

完全在5G SA (3GPP第16版及更高版本)中实施的切片技术,将物理无线电虚拟地划分为多个共存的逻辑分离无线电服务,从而以最适用的资源和网络拓扑支持不同的服务和应用。iHAednc

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图1:网络切片。(来源:NTT DoCoMo)iHAednc

网络切片对于启用专用无线网络和大规模物联网至关重要。透过切片,蜂巢服务提供商(CSP)可以分离5G无线电的某些部分,以便某个公司在其设施中运作单独的网络;为自动驾驶车提供更高的带宽和低延迟;或者隔离频谱中的某个不同部分,而将其用于连接农场中数千个传感器的NB-IoT服务。这些服务和切片在同一个5G网络上运作。iHAednc

5G对关键物联网而言无可替代

自动驾驶车、远程手术、无人机监控及其他需要超低延迟和可靠性的关键物联网应用,需要5G NR的功能。此外,CSP们正在关闭全球的传统2G和3G网络。由于无线频谱稀缺且受到严格监管,营运商们正在重新利用其现有的4G和5G授权。几年后,4G和5G将成为营运蜂巢连接物联网装置网络的唯一选择。iHAednc

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图2:4G和5G将扮演营运蜂巢连接物联网装置网络的重要角色。iHAednc

安全性是蜂巢网络的关键特性

蜂巢网络最显著的优势之一是其安全性。任何蜂巢装置都需要一个SIM,从而提供NSA Suite B AES-256加密和身份认证。幸运的是,营运商和OEM可以在没有SIM卡的情况下使用嵌入式SIM (eSIM)或整合SIM (iSIM)进行产品发货,然后在不访问装置的情况下配置网络凭据。iHAednc

除了可程序设计性和基本操作之外,一些新的SoC已经具备iSIM、2G、4G和5G无线电功能。iHAednc

蜂巢网络并不总是最好的选择

持续的成本、功耗和对CSP的依赖,是许多组织为其物联网部署选择其他无线标准的原因。虽然LTE-M和NB-IoT为大规模物联网提供了低成本、低功耗的方案,但它们的运作成本仍然高于Wi-Fi、LoRA或Sigfox等其他选项。此外,不同的CSP有不同的物联网商业模式,在某些地区,竞争是有限的或不存在的。iHAednc

使用LTE-M和NB-IoT部署基于蜂巢的低功耗连接为大规模物联网应用打开了市场,5G为关键物联网提供无与伦比的性能和可靠性。然而,许多产业不需要蜂巢网络的高阶功能,而是从其他无线技术中寻找更直接的解决方案。虽然蜂巢技术(主要是4G和5G)可以满足大多数无线应用的连接需求,但考虑到成本、可用性、隐私和功耗等因素,许多组织都在寻找其他可能性。iHAednc

消费类装置的无线网络

在过去十年中,我们家中的联网装置的数量在呈指数级成长。十年前,大多数消费电子装置和电器都缺乏连接性。如今,万物都将互连。iHAednc

智能音箱、智能电视、家庭保全系统、照明、咖啡机、洗碗机和许多其他智能家庭装置都被连接到一个或多个家庭网络。iHAednc

多年来,大多数装置透过Wi-Fi和/或蓝牙连接到家庭。这些连接标准的优势显而易见:易于安装、价格低廉且随处可用。Thread和Zigbee所使用的另一种无线标准IEEE 802.15.4出现在了一些装置中,从而使这些装置能够直接相互通讯。iHAednc

2019年12月,包括亚马逊(Amazon)、苹果(Apple)、Google和三星(Samsung)在内的几家顶级互连消费装置供货商组成了CHIP工作组,现已被更名为「Matter」。iHAednc

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图3:Matter可实现互操作性。iHAednc

Matter的装置结合使用Wi-Fi、低功耗蓝牙(BLE)和Thread来实现装置和应用之间的互操作性。Matter在更多的物体之间创造了更多的连接,从而促进了制造商的发展和消费品的兼容性。iHAednc

此外,每台经过认证的装置都来自其制造商,并内建了独特的身份和硬件安全性。将该装置添加到家庭网络非常简单,消费者也不需要处理和更新所有装置的复杂密码。iHAednc

如今,智能家庭装置制造商和OEM可以轻松支持Matter。一些芯片组供货商提供了经过Matter认证的SoC,其中包含适用于不同无线标准的连接调制解调器。iHAednc

大规模物联网应用的LPWAN

如上所述,蜂巢物联网可能不是许多工业、农业和政府应用的最佳选择。农场中的数千个传感器、城市中的数百万个智慧电表或数百个垃圾箱不需要持续进行连接并发送数据。在许多这些应用中,传输的数据量很少,通常是定期的资料突发。iHAednc

其中许多传感器和执行器将在几年内无需人工干预即可运作,并且在许多情况下,使用相同的电池。iHAednc

连接这些装置所需要的网络,必须要能在1GHz以下未经许可的频谱中运作,要能覆盖广阔的区域,并且只需装置提供非常少的功率就可以发送/接收数据。一些连接标准似乎可以应对这个重要而又不断成长的市场,其中两个在全球范围内广受欢迎:LoRa和Sigfox。iHAednc

LoRa特别适用于远程通信,它使用未经许可的1GHz以下无线电频段,如169MHz、433MHz、868MHz (欧洲)和915MHz (北美)。这些低频段可以实现0.3kbps~50kbps的数据传输速率。iHAednc

最近,LoRaWAN已被国际电信联盟(ITU)批准为一种标准,由国际电联电信标准化部门(ITU-T)第20研究组——ITU「物联网、智慧城市和小区」研究组负责。iHAednc

LoRa作为大多数M2M应用的新标准进行销售。它使用基于微微蜂巢和网关的未授权无线电,独立于蜂巢营运商工作,这使得LoRa对在广泛区域部署物联网装置的OEM来说非常有吸引力。iHAednc

LoRaWAN网络在全球大多数国家/地区运作。任何组织若希望使用支持LoRa的装置,都可以设置自己的网络,这类似Wi-Fi接入点。但是,中小型用户应该得到网络营运商的协助。通常,每台装置的成本只是蜂巢连接的一小部分。iHAednc

使用者可以下载规范并加入LoRa联盟,任何硬件或网关制造商都可以建构符合LoRa规范的模块或网关。LoRa联盟认为开放能带来采用,因此其成员强调任何人都可以加入联盟并建构硬件来支持它。iHAednc

Sigfox 0G网络

2010年,Sigfox在法国成立,该网络现已在75个国家和地区开展业务。该公司总部位于法国,并在马德里、慕尼黑、波士顿、达拉斯、迪拜、新加坡、圣保罗和东京设有办事处。iHAednc

Sigfox是一种窄频技术。它在868MHz或902MHz未授权频段中使用二进制相移键控(BPSK)无线电传输。它只需要很窄的频谱并透过改变波的相位来对数据进行编码。iHAednc

与LoRa不同,Sigfox是一个专有网络。该公司在每个国家/地区只提供一个营运商,因此,要使用支持Sigfox的装置,需要与当地营运商达成协议。对装置制造商来说,任何想要Sigfox端点技术的OEM、芯片组制造商或装置供货商,只要与Sigfox在某些条件上达成一致,Sigfox就会将它提供给它们。iHAednc

ST、Atmel (已被Microchip收购)和TI等公司可销售Sigfox调制解调器芯片,Sigfox透过向其网络合作伙伴收取授权金来营利。iHAednc

应该使用哪种无线标准?

嗯,这就是重要却难回答的问题!当然,这取决于连接需求(数据速率、延迟、安全性和可靠性)、装置数量、功耗、部署区域和成本。iHAednc

从不同的蜂巢到LPWAN方案,市场已经充满了可能性。重要的是选择一种具有广泛支持的解决方案,从而能在未来多年运作。iHAednc

(原文发表于ASPENCORE旗下EDN姐妹媒体EETimes,参考链接:2022 top wireless networks for IoT – Part 12022 Wireless Networks for IoT – Part 2: non-cellular options,本文同步刊登于子工程专辑202210月号)iHAednc

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