物聯網無線標準概述


物聯網無線標準概述


隨著大量日常用物被越來越多地賦予互聯網連接和各種輔助功能,物聯網也逐漸從夢想照進了現實。物聯網設備的根基在於傳感器、控制器、執行器和顯示器經互聯網這一統一平臺進行通信的能力。然而,由於許多應用和環境無法實現經以太網或光纖等實體線路通信的互聯網,因此利用無線集線器與物聯網設備進行更加靈活的無線通信便成為一種替代方案。

對於許多應用而言,人們極其希望互聯網的通信不受物理連線的束縛。此類應用例如包括醫療用途中的患者監測,都市臨街店面或零售店的無線信標,以及需要在大量相互協作的機器之間實現彼此通信的工業用途。由於現實中的無線物聯網設備種類繁多,因此此類新興設備所採用的無線標準/協議和無線通信方法也是五花八門。本文將對物聯網領域中常用或可能被採用的無線標準做一簡單的介紹。

物聯網領域中的無線標準

低功耗廣域網(LPWA)

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

中短程物聯網無線網絡技術

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

蜂窩4G/5G

  • 3G
  • 4G(LTE)
  • 5G(6GHz以下)
  • 5G(毫米波)*未來預計採用

當今,物聯網無線標準常用的頻率為2.4GHz,即藍牙、Zigbee、Thread、WiFi等標準共享的ISM頻段。實際上,所有無線物聯網應用的頻率均為6GHz以下,其中工作頻率最高的物聯網技術為5GHz WiFi和高頻蜂窩。然而,IEEE 802.11ah、802.11af或其他電視白頻段(TVWS)技術的未來發展可能會實現400MHz~700MHz以上非蜂窩頻段(美國)內的無線物聯網應用。其中,TVWS這一低頻段為低功率長程通信打開了一扇大門。

由於各種無線標準不但在基礎設施、設計資源、供應商、模塊尺寸、認證難度、授權成本等方面有所不同,而且在工作頻率、調製方法和協議、最大輸出功率限制、用電效率、有效距離、聯網類型、干擾問題、設計/安裝複雜性方面獨具特色且各有千秋,因此具體標準之間的取捨牽涉著紛繁複雜的考量。

雖然某些國家或地區之間存在一些通用的無線標準,但是由於每個國家或地區對無線電頻率的管制方式不同,因此導致如下亂象:部分無線物聯網設備實際上使用未授權頻段;某些無線物聯網頻段要求申請許可證,而且要求額外的使用費用;某些目前可用的頻段可能在將來會通過許可政策對使用地點和使用方式進行限制;部分無線標準/協議本身歸某些結構專有,而且設備硬件必須從授權分銷商處購買,或者可能需要申請IP許可證。除此之外,也有某些物聯網無線標準(如LoRa和Thread)為開放標準,而且是許多業內合作伙伴、專家和協會共同開發的結晶。

在選好無線標準後,物聯網OEM還需選擇該標準下的認證設備,或者自行研發符合該標準的設備。此類設備通常為通信芯片或集成有通信功能的微控制器/微處理器(MCU / MPU)。為了實行所述無線標準,物聯網OEM隨後還需將上述設備與符合該標準的相應射頻元器件、天線及互連件設計至同一電路中,而且一般還需接受和通過各國的電磁干擾(EMI)輻射和耐受性方面的認證,即所謂的電磁兼容性(EMC)認證。


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