NB-IoT、LoRa、eMTC、Zigbee、Sigfox、WiFi、藍(lán)牙，誰能稱霸物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代？

根據(jù) IDC 市場(chǎng)研究機(jī)構(gòu)報(bào)告顯示，到 2020 年全球?qū)⒂?260 億件設(shè)備接入物聯(lián)網(wǎng)，全球物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)規(guī)模將達(dá)到 1.7 萬億美元。

物聯(lián)網(wǎng)悄然拉開了“萬物互聯(lián)”的帷幕。在“萬物互聯(lián)”時(shí)代，首先要解決“物”與“網(wǎng)”的連接問題，物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng)的核心組成部分是連接和通信，使得遠(yuǎn)程和分散物體（設(shè)備，傳感器節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)關(guān)單元，云服務(wù)器）之間的連接和通信成為可能，所以“連接技術(shù)”決定了物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的走向。

物聯(lián)網(wǎng)無線接入技術(shù)種類眾多，包括 Zigbee、WiFi、藍(lán)牙等短距離通信技術(shù)和 LoRa、SigFox、eMTC、NB-IoT 等長距無線通信技術(shù)。其中，受業(yè)界青睞的低功耗廣域技術(shù) LPWA 既包括廣域非授權(quán)頻譜技術(shù) LoRa 和 SigFox，也包括授權(quán)頻譜的 eMTC 和 NB-IoT 等。

NB-IoT

NB-IoT 是指窄帶物聯(lián)網(wǎng)(Narrow Band Internet of Things)技術(shù)，是一種低功耗廣域(LPWA)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，基于蜂窩技術(shù)，用于連接使用無線蜂窩網(wǎng)絡(luò)的各種智能傳感器和設(shè)備，聚焦于低功耗廣覆蓋(LPWA)物聯(lián)網(wǎng)(IoT)市場(chǎng)，是一種可在全球范圍內(nèi)廣泛應(yīng)用的新興技術(shù)。

NB-IoT 技術(shù)可以理解為是 LTE 技術(shù)的“簡化版”，NB-IoT 網(wǎng)絡(luò)是基于現(xiàn)有 LTE 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行改造得來的。

LTE 網(wǎng)絡(luò)為“人”服務(wù)，為手機(jī)服務(wù)，為消費(fèi)互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)；而 NB-IoT 網(wǎng)絡(luò)為“物”服務(wù)，為物聯(lián)網(wǎng)終端服務(wù)，為產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)（物聯(lián)網(wǎng)）服務(wù)。

NB-IoT 使用 License 頻段，可直接部署于 GSM 網(wǎng)絡(luò)、UMTS 網(wǎng)絡(luò)或 LTE 網(wǎng)絡(luò)，與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)共存，以降低部署成本、實(shí)現(xiàn)平滑升級(jí)。

NB-IoT 的特點(diǎn)

低功耗

NB-IoT 聚焦小數(shù)據(jù)量、小速率應(yīng)用，因此 NB-IoT 設(shè)備功耗可以做到非常小，設(shè)備續(xù)航時(shí)間可以從過去的幾個(gè)月大幅提升到幾年。

低成本

NB-IoT 是基于 LTE 網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)，所以在現(xiàn)網(wǎng) LTE 網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上進(jìn)行改造，就可以很快組網(wǎng)，很快擴(kuò)大覆蓋。目前各大運(yùn)營商仍在大力推動(dòng) LTE 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，也有利于 NB-IoT 的覆蓋改善。

強(qiáng)連接

在同一基站的情況下，NB-IoT 可以比現(xiàn)有無線技術(shù)提供 50-100 倍的接入數(shù)。一個(gè)扇區(qū)能夠支持 10 萬個(gè)連接，支持低延時(shí)敏感度、超低的設(shè)備成本、低設(shè)備功耗和優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

廣覆蓋

NB-IoT 室內(nèi)覆蓋能力強(qiáng)，比 LTE 提升 20dB 增益，相當(dāng)于提升了 100 倍覆蓋區(qū)域能力。不僅可以滿足農(nóng)村這樣的廣覆蓋需求，對(duì)于廠區(qū)、地下車庫、井蓋這類對(duì)深度覆蓋有要求的應(yīng)用同樣適用。

NB-IoT 發(fā)展現(xiàn)狀

從市場(chǎng)數(shù)據(jù)來看，2017 年華為海思推出 Boudica120 國內(nèi)第一顆 NB-IoT 芯片至今，累積出貨 2000 萬顆，而其他國內(nèi) NB-IoT 芯片廠家總出貨量不超過 1000 萬顆。

從發(fā)展現(xiàn)狀來看，截至今年 5 月底，全球已有 84 張 NB-IoT 網(wǎng)絡(luò)商用（GSMA），全球模組種類已超過 100 種，成為全球應(yīng)用最廣的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)之一。國內(nèi) NB-IoT 用戶數(shù)已經(jīng)達(dá)到 3000 萬。同時(shí)，國內(nèi)的消費(fèi)級(jí)物聯(lián)網(wǎng)硬件銷售額預(yù)計(jì)在 2022 年超過 3000 億美元，年復(fù)合增長率超過 20%。

NB-IoT 市場(chǎng)仍然格局未定，產(chǎn)業(yè)鏈上下游廠商都想抓住這個(gè)市場(chǎng)機(jī)會(huì)，分得 NB-IoT 市場(chǎng)一杯羹。

但 NB-IoT 依舊面臨著性能指標(biāo)夸大、網(wǎng)絡(luò)覆蓋不佳、商業(yè)模式存在問題、心態(tài)浮躁等諸多問題和挑戰(zhàn)，是 NB-IoT 市場(chǎng)擴(kuò)展受阻的主要原因。

為了進(jìn)一步推動(dòng) NB-IoT 的發(fā)展進(jìn)程，國內(nèi)運(yùn)營商都在大力部署 NB-IoT 基站，2019 年，我國預(yù)計(jì)將建成 90 萬個(gè) NB-IoT 基站、到 2020 年將建成超過 150 萬個(gè) NB-IoT 基站、到 2025 年 NB-IoT 基站規(guī)模將達(dá)到 300 萬。

此外，國外眾多運(yùn)營商也紛紛支持 NB-IoT，Vodafone、德國電信、軟銀等幾十家運(yùn)營商均已經(jīng)部署了 NB-IoT 商用網(wǎng)絡(luò)，美國 T-Mobile 也已經(jīng)宣布商用了 NB-IoT，全球運(yùn)營商的創(chuàng)新先鋒 AT&T 和 Verizon，也積極進(jìn)行 NB-IoT 的商用試點(diǎn)。

對(duì)于 NB-IoT 的未來走向，可以預(yù)見 NB-IoT 還會(huì)與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)共存共生。當(dāng)產(chǎn)業(yè)走到萬物互聯(lián)的 5G 時(shí)代，NB-IoT 也將迎來了新的發(fā)展機(jī)遇。

LoRa

LoRa 的名字是遠(yuǎn)距離無線電（Long Range Radio），作為一種線性調(diào)頻擴(kuò)頻的調(diào)制技術(shù)，最早由法國幾位年輕人創(chuàng)立的一家創(chuàng)業(yè)公司 Cycleo 推出，2012 年 Semtech 收購了這家公司，并將這一調(diào)制技術(shù)封裝到芯片中，基于 LoRa 技術(shù)開發(fā)出一整套 LoRa 通信芯片解決方案，包括用于網(wǎng)關(guān)和終端上不同款的 LoRa 芯片，開啟了 LoRa 芯片產(chǎn)品化之路。

不過，僅僅一個(gè)基于 LoRa 調(diào)制技術(shù)的收發(fā)芯片還遠(yuǎn)不足以撬動(dòng)廣闊的物聯(lián)網(wǎng)市場(chǎng)，在此后的發(fā)展歷程中，由于多家廠商發(fā)起的 LoRa 聯(lián)盟，以及推出不斷迭代的 LoRaWAN 規(guī)范，催生出一個(gè)全球數(shù)百家廠商支持的廣域組網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)體系，從而形成廣泛的產(chǎn)業(yè)生態(tài)。

推動(dòng)這一生態(tài)的相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、應(yīng)用案例等都是多個(gè)廠商共同參與的過程，這些也是形成目前龐大產(chǎn)業(yè)生態(tài)更為關(guān)鍵的元素，而它們并不屬于 Semtech 單個(gè)公司所有，比如 LoRaWAN 規(guī)范是一個(gè)全球多個(gè)廠商共同參與的開放標(biāo)準(zhǔn)，任何組織或個(gè)人都可以根據(jù)這一規(guī)范進(jìn)行產(chǎn)品開發(fā)和網(wǎng)絡(luò)部署。

相較于大多數(shù)的網(wǎng)絡(luò)采用網(wǎng)狀拓樸，易于不斷擴(kuò)張網(wǎng)絡(luò)規(guī)模，但缺點(diǎn)在于使用各種不相關(guān)的節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)消息，路由迂回，增加了系統(tǒng)復(fù)雜性和總功耗。LoRa 采用星狀拓樸（TMD 組網(wǎng)方式），網(wǎng)關(guān)星狀連接終端節(jié)點(diǎn)，但終端節(jié)點(diǎn)并不綁定唯一網(wǎng)關(guān)，相反，終端節(jié)點(diǎn)的上行數(shù)據(jù)可發(fā)送給多個(gè)網(wǎng)關(guān)。理論上來說，用戶可以通過 Mesh、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)或者星形的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和架構(gòu)實(shí)現(xiàn)靈活組網(wǎng)。
LoRa 網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架

LoRa 主要在全球免費(fèi)頻段運(yùn)行（即非授權(quán)頻段），包括 433、868、915 MHz 等。LoRa 網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架由終端節(jié)點(diǎn)、網(wǎng)關(guān)、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器和應(yīng)用服務(wù)器四部分組成，應(yīng)用數(shù)據(jù)可雙向傳輸。

LoRa 是創(chuàng)建長距離通訊連接的物理層或無線調(diào)制， 相較于傳統(tǒng)的 FSK 技術(shù)以及穩(wěn)定性和安全性不足的短距離射頻技術(shù)，LoRa 基于 CSS 調(diào)制技術(shù)（Chirp Spread Spectrum）在保持低功耗的同時(shí)極大地增加了通訊范圍，且 CSS 技術(shù)數(shù)十年已經(jīng)廣受軍事和空間通訊所采用，具有傳輸距離遠(yuǎn)、抗干擾性強(qiáng)等特點(diǎn)。
此外，LoRa 技術(shù)不需要建設(shè)基站，一個(gè)網(wǎng)關(guān)便可控制較多設(shè)備，并且布網(wǎng)方式較為靈活，可大幅度降低建設(shè)成本。

LoRa 因其功耗低，傳輸距離遠(yuǎn)，組網(wǎng)靈活等諸多特性與物聯(lián)網(wǎng)碎片化、低成本、大連接的需求十分的契合，因此被廣泛部署在智慧社區(qū)、智能家居和樓宇、智能表計(jì)、智慧農(nóng)業(yè)、智能物流等多個(gè)垂直行業(yè)，前景廣闊。

LoRa 的特點(diǎn)

• 傳輸距離：城鎮(zhèn)可達(dá) 2-5 Km ， 郊區(qū)可達(dá) 15 Km 。
• 工作頻率：ISM 頻段 包括 433、868、915 MH 等。
• 標(biāo)準(zhǔn)：IEEE 802.15.4g。
• 調(diào)制方式：基于擴(kuò)頻技術(shù)，線性調(diào)制擴(kuò)頻（CSS）的一個(gè)變種，具有前向糾錯(cuò)（FEC）能力，semtech 公司私有專利技術(shù)。
• 容量：一個(gè) LoRa 網(wǎng)關(guān)可以連接上千上萬個(gè) LoRa 節(jié)點(diǎn)。
• 電池壽命：長達(dá) 10 年。
• 安全：AES128 加密。
• 傳輸速率：幾百到幾十 Kbps，速率越低傳輸距離越長，這很像一個(gè)人挑東西，挑的多走不太遠(yuǎn)，少了可以走遠(yuǎn)。

LoRa 發(fā)展現(xiàn)狀
大約從 2014 年起，國內(nèi)首批企業(yè)開始研發(fā) LoRa 相關(guān)產(chǎn)品，至今經(jīng)過 5 年的時(shí)間，LoRa 已經(jīng)從一個(gè)小范圍使用的小無線技術(shù)成長為物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域無人不曉的事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)。

近年來，科技巨頭紛紛入局 LoRa、加入 LoRa 聯(lián)盟，可以看出各企業(yè)都希望借助 LoRa 這個(gè)切入點(diǎn)來確立自身在物聯(lián)網(wǎng)和產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的地位。阿里和騰訊兩大互聯(lián)網(wǎng)巨頭將 LoRa 作為其物聯(lián)網(wǎng)布局的重要入口，主推的 LinkWAN 平臺(tái)和 TTN 平臺(tái)對(duì)于產(chǎn)業(yè)鏈上下游的帶動(dòng)作用非常明顯。另外，鐵塔、聯(lián)通以及廣電等群體也開始針對(duì) LoRa 產(chǎn)業(yè)進(jìn)行布局，進(jìn)一步促進(jìn)其在各行業(yè)應(yīng)用的落地。

從目前的市場(chǎng)結(jié)構(gòu)看，國內(nèi)已有上千家企業(yè)參與到 LoRa 產(chǎn)業(yè)生態(tài)中，呈現(xiàn)出大中小型企業(yè)、傳統(tǒng)企業(yè)與互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)共同參與的格局。國內(nèi)提供給 LoRa 發(fā)展的產(chǎn)業(yè)大環(huán)境不斷向好，LoRa 聯(lián)盟自身力量也在不斷壯大。

據(jù)資料了解，2018 年國內(nèi) LoRa 芯片出貨量達(dá)到數(shù)千萬片，其中，模組和表計(jì)廠商占據(jù)大部分采購份額，基站廠商采購量位居其次。除此之外，國內(nèi)還有大量分散的模組、終端廠商也會(huì)直接采購 LoRa 芯片，雖然都是小批量，但加起來規(guī)模還算可觀。

對(duì)于大部分模組、終端、系統(tǒng)和應(yīng)用廠商來說，它們對(duì)于各種技術(shù)是中立的，選擇何種技術(shù)路線大部分是一種純市場(chǎng)化行為。LoRa 芯片是支持整個(gè)產(chǎn)業(yè)的重要底層元器件，但整個(gè)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的形成還要靠多種力量共同努力，這種力量在國內(nèi)已經(jīng)形成。LoRa 相關(guān)產(chǎn)品靈活性較強(qiáng)已成業(yè)界共識(shí)，不僅僅在于能夠在各種環(huán)境下自主部署網(wǎng)絡(luò)，還在于各類開發(fā)者能夠選擇多個(gè)平臺(tái)，快速得到開發(fā)支持。

近一年來，LoRa 在智慧城市、智能園區(qū)、智慧建筑、智慧安防等垂直領(lǐng)域也有了大量落地的行業(yè)應(yīng)用。Semtech 物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)總監(jiān) Vivek Mohan 曾表示，目前全球大量的垂直行業(yè)中已形成 300 多個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景。

LoRa 技術(shù)是 Semtech 公司的專利，其 LoRa 芯片產(chǎn)品期初也是獨(dú)家供應(yīng)，但單一的 LoRa 產(chǎn)品必然會(huì)帶來產(chǎn)品價(jià)格、功能等方面的局限性。

2018 年 Semtech 開始改變傳統(tǒng)的產(chǎn)品營銷模式，授權(quán) IP 給一些公司做 LoRa 產(chǎn)品，形成了多供應(yīng)商的市場(chǎng)供應(yīng)局面，LoRa 芯片供應(yīng)廠家通過走差異化路線，融合不同功能的芯片，滿足更多差異化應(yīng)用的需求，如 LoRa＋GPS 獲取位置信息，LoRa＋BLE 與本地近場(chǎng)設(shè)備連接通信，LoRa＋安全芯片增強(qiáng)設(shè)備的安全性等，來共同做大市場(chǎng)。

未來，或許會(huì)有更多的 LoRa 芯片供應(yīng)商，市場(chǎng)做大也符合 Semtech 公司的利益。

可以看到，不論從技術(shù)、供應(yīng)鏈體系、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)還是生態(tài)建設(shè)，LoRa 依然是一個(gè)市場(chǎng)化行為為主導(dǎo)的技術(shù)選項(xiàng)，大國之間政治經(jīng)濟(jì)博弈對(duì)于 LoRa 供求各方產(chǎn)生的影響很小。采用 LoRa 通信的物聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目中包含非常多的技術(shù)和元素，很多價(jià)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過通信本身，未來發(fā)展中，業(yè)界應(yīng)該更多聚焦于應(yīng)用價(jià)值的創(chuàng)造，聚焦于市場(chǎng)化行為和商業(yè)模式，以求在物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代贏得先機(jī)。

WiFi

WiFi 大家都比較熟悉，俗稱無線寬帶網(wǎng)，以更快，更大容量的通信而聞名，可以使用 2.4 GHz 和 5 GHz 頻帶在 50 m 范圍內(nèi)進(jìn)行傳輸，是一種允許電子設(shè)備連接到一個(gè)無線局域網(wǎng) WLAN 的技術(shù)。

WiFi 通過 IEEE 802.11 標(biāo)準(zhǔn)系列提供易于使用的短距離無線連接和跨廠商互操作性。伴隨著三大運(yùn)營商大規(guī)模建設(shè)基于 WiFi 技術(shù)的無線城市，其物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用架構(gòu)已然形成。由于在現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施中普遍存在，其受歡迎程度不斷提高。

WiFi 是無線局域網(wǎng)（WLAN）的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，最早的無線局域網(wǎng)可以追溯到上個(gè)世紀(jì) 70 年代，基于 ALOHA 協(xié)議的 UHF 無線網(wǎng)絡(luò)連接了夏威夷島，是現(xiàn)在無線局域網(wǎng)的一個(gè)最初版本。隨后的 1985 年美國聯(lián)邦通信委員會(huì)制定了現(xiàn)在廣泛使用的免費(fèi) WiFi 頻段，和微波爐頻率相同。1991 年 NCR 公司和 AT&T 公司發(fā)明了現(xiàn)在廣泛使用 WiFi 的標(biāo)準(zhǔn)的 802.11 的前身，用在收銀系統(tǒng)，名字為 WaveLAN。澳大利亞的天文學(xué)家 John O’sullivan 和他的同事開發(fā)了 WiFi 技術(shù)的關(guān)鍵專利，起初使用在 CSIRO (公共健康科學(xué)和工業(yè)研究組織)的項(xiàng)目上。1997 年發(fā)布了基于 802.11 協(xié)議的第一個(gè)版本，提供 2Mbit/s 速率，在 1999 年提高到 11Mbit/s，使用價(jià)值大大提高，隨后 WiFi 得以快速發(fā)展。

WiFi 定義了 MAC 層協(xié)議和安全性,但未定義設(shè)備的應(yīng)用對(duì)象和通信方式，這意味著所有制造商都可以定義自己的應(yīng)用層協(xié)議，因此難以形成統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，這限制了 WiFi 在互聯(lián)家居設(shè)備對(duì)設(shè)備市場(chǎng)的應(yīng)用。

WiFi 還設(shè)定了網(wǎng)絡(luò)的中央接入點(diǎn)模型,即如果該接入點(diǎn)不工作,網(wǎng)絡(luò)則會(huì)停止運(yùn)行。相對(duì)于其他協(xié)議，WiFi 的功耗較高,因此盡管適用于供電設(shè)備,但它在電池供電極為關(guān)鍵的應(yīng)用中效果并不理想。

此外，WiFi 還存在著擴(kuò)展性方面的問題。例如,某些路由器的配置最多僅支持 15 臺(tái)設(shè)備,而互聯(lián)家居預(yù)計(jì)接近 100 臺(tái)設(shè)備。另一個(gè)問題是各類數(shù)據(jù)源導(dǎo)致的 WiFi 網(wǎng)絡(luò)競(jìng)爭。

WiFi 組網(wǎng)結(jié)構(gòu)
WiFi 有兩種組網(wǎng)結(jié)構(gòu)：一對(duì)多（Infrastructure 模式）和點(diǎn)對(duì)點(diǎn)（Ad-hoc 模式，也叫 IBSS 模式）。我們最常用的 WiFi 是一對(duì)多結(jié)構(gòu)的，一個(gè) AP（接入點(diǎn)），多個(gè)接入設(shè)備，我們用的無線路由器是其實(shí)就是路由器+AP。WiFi 還可以點(diǎn)對(duì)點(diǎn)結(jié)構(gòu)，比如兩個(gè)筆記本可以用 WiFi 直接連接起來不經(jīng)過無線路由器。

1 對(duì)多模式

點(diǎn)對(duì)點(diǎn)模式

WiFi 的安全性

常用的 WiFi 加密有 WEP，WPA，WPA2。WEP 安全性太差基本上被淘汰了。目前 WPA2 是被業(yè)界認(rèn)為最安全的加密方式。WPA 加密是 WEP 加密的改進(jìn)版，包含兩種方式：預(yù)共享密鑰（PSK）和 Radius 密鑰。其中預(yù)共享密鑰（PSK）有兩種密碼方式：TKIP 和 AES，相比 TKIP，AES 具有更好的安全系數(shù)。WPA2 加密是 WPA 加密的升級(jí)版，建議優(yōu)先選用 WPA2-PSK AES 模式。WPA/WPA2 加 Radius 密鑰是一種最安全的加密類型，不過由于此加密類型需要安裝 Radius 服務(wù)器，一般用戶不容易用到。

WiFi 技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)中廣泛應(yīng)用于電力監(jiān)控、油田監(jiān)測(cè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、氣象監(jiān)測(cè)、水利監(jiān)測(cè)、熱網(wǎng)監(jiān)測(cè)、電表監(jiān)測(cè)、機(jī)房監(jiān)控、車輛誘導(dǎo)、供水監(jiān)控，帶串口或 485 接口的 PLC，RTU 無線功能的擴(kuò)展。

基于 WiFi 的物聯(lián)網(wǎng)傳輸技術(shù)具有以下優(yōu)勢(shì)：

• 成本低廉：相對(duì)于有線安裝、維護(hù)、故障診斷和升級(jí)配線的成本
• 活性高：沒有電纜的約束，設(shè)備可任意架設(shè)和調(diào)整
• 低功耗：采用低耗能設(shè)計(jì)，可應(yīng)用于電池供電的產(chǎn)品中
• 可靠性高：在有線網(wǎng)絡(luò)中大部分的故障是由連接器引起的，而無線系統(tǒng)則排除了這樣的可能。并可滿足在艱苦工業(yè)環(huán)境所要求的持久性和可靠性。
• 安全性：具有多種加密方式，保證數(shù)據(jù)傳輸私密性。
• 施工周期短：WiFi 組網(wǎng)方式，可以通過節(jié)點(diǎn)的自組織和自配置功能迅速搭建成有效的通信網(wǎng)絡(luò)。

藍(lán)牙

藍(lán)牙是一種大容量，近距離無線數(shù)字通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)初衷是替代 RS232 電纜連接計(jì)算機(jī)外設(shè)。藍(lán)牙技術(shù)最早始于 1994，由電信巨頭愛立信公司研發(fā)，是在兩個(gè)設(shè)備間進(jìn)行無線短距離通信的最簡單、最便捷的方法，可實(shí)現(xiàn)固定設(shè)備、移動(dòng)設(shè)備和樓宇個(gè)人域網(wǎng)之間的短距離數(shù)據(jù)交換。藍(lán)牙還添加了 AFH（Adaptive Frequency-Hopping）技術(shù)，自適應(yīng)跳頻，以在有 WiFi 信號(hào)的情況下避開 WiFi 的頻率，提高抗干擾能力。
藍(lán)牙通信頻段主要為 2.402GHz~2.480GHz。藍(lán)牙技術(shù)被廣泛地用于手機(jī)、PDA 等移動(dòng)設(shè)備，PC、GPS 設(shè)備，以及大量的無線外圍設(shè)備（藍(lán)牙耳機(jī)、藍(lán)牙鍵盤等）。

藍(lán)牙跳頻示意圖

從 1998 年到 2009 年，藍(lán)牙版本經(jīng)過了 1.0 到 3.0 的版本迭代后，雖然數(shù)據(jù)傳輸速率上有提升，但仍牢牢定位于近距離無線數(shù)據(jù)傳輸平臺(tái)技術(shù)，在應(yīng)用中牢牢占據(jù)著藍(lán)牙音箱和耳機(jī)，以及藍(lán)牙鼠標(biāo)和鍵盤等領(lǐng)域。

2010 年藍(lán)牙發(fā)布 4.0 版本 BLE（Bluetooth Low Energy，即藍(lán)牙低功耗），針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用需求進(jìn)一步簡化了藍(lán)牙技術(shù)，BLE 較傳統(tǒng)藍(lán)牙最大的特點(diǎn)就是低功耗，應(yīng)用于對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高，但對(duì)數(shù)據(jù)傳輸速率要求比較低的場(chǎng)景。通過 BLE，藍(lán)牙技術(shù)的演進(jìn)方向開始直接對(duì)準(zhǔn)物聯(lián)網(wǎng)。

2016 年藍(lán)牙發(fā)布 5.0 版本，藍(lán)牙 5 與藍(lán)牙 4.2 相比，提高的傳輸速率與傳輸距離，增強(qiáng)了抗空口干擾的能力，并提高了室內(nèi)定位的精確度。

2019 年 1 月，藍(lán)牙 5.1 標(biāo)準(zhǔn)推出，在藍(lán)牙 5.0 的基礎(chǔ)上，新增多天線 /AOA/AOD 功能，增加了藍(lán)牙的定位能力，定位的精度大幅提升，由原先的 10 米級(jí)別提升至厘米級(jí)，這一定位精度可使其在室內(nèi)導(dǎo)航、物體追蹤等大有可為。

藍(lán)牙技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)：“低功耗藍(lán)牙”模式下實(shí)現(xiàn)了低功耗，覆蓋范圍增強(qiáng)，最大范圍可超過 100 米；支持復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)：針對(duì)一對(duì)一連接最優(yōu)化，并支持星形拓?fù)涞囊粚?duì)多連接等；智能連接：增加設(shè)置設(shè)備間連接頻率的支持，Ipv6 網(wǎng)絡(luò)支持；較高安全性：使用 AES-128 CCM 加密算法進(jìn)行數(shù)據(jù)包加密和認(rèn)證；藍(lán)牙模塊體積很小，便于集成；可以建立臨時(shí)性的對(duì)等連接（Ad-hoc Connection）：根據(jù)藍(lán)牙設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)中的角色，可分為主設(shè)備（Master）與從設(shè)備（Slave）。

其缺點(diǎn)是不能直接連接云端，傳輸速度比較慢，組網(wǎng)能力比較弱，而且網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)少，不適合多點(diǎn)布控。

藍(lán)牙技術(shù)的出現(xiàn)是信息技術(shù)不斷進(jìn)步的結(jié)果，現(xiàn)在我們處在全球物聯(lián)網(wǎng)快速發(fā)展的節(jié)點(diǎn)上，設(shè)備與設(shè)備，人與設(shè)備等都有時(shí)刻保持聯(lián)網(wǎng)的需求，藍(lán)牙技術(shù)為萬物互聯(lián)提供了一種非常高性價(jià)比的解決方案。倘若藍(lán)牙技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的應(yīng)用一旦鋪開，那么依靠其巨大的出貨量（低成本）與兼容性（連接手機(jī)），憑借其在產(chǎn)品生態(tài)系統(tǒng)上的優(yōu)勢(shì)，在不遠(yuǎn)的未來應(yīng)該有一席之地。

ZigBee

ZigBee 被正式提出來是在 2003 年，ZigBee 的出現(xiàn)是因?yàn)樗{(lán)牙、WiFi 無法滿足工業(yè)需求，它的出現(xiàn)彌補(bǔ)了藍(lán)牙、WiFi 等通信協(xié)議高復(fù)雜、功耗大、距離近、組網(wǎng)規(guī)模太小等缺陷。名稱取自蜜蜂，蜜蜂(Bee)是靠飛翔和“嗡嗡”(zig)地抖動(dòng)翅膀的“舞蹈”來與同伴傳遞花粉所在的方位信息，依靠這樣的方式構(gòu)成了群體中的通信網(wǎng)絡(luò)。

ZigBee 是短距離物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，用于連接 10-100 米范圍內(nèi)的設(shè)備，不通過 LPWAN 直接接入網(wǎng)絡(luò)，需要通過集中器和網(wǎng)關(guān)接入。通過其網(wǎng)狀拓?fù)洌琙igbee 設(shè)備可以通過中間設(shè)備在一定距離上傳輸數(shù)據(jù)，基于 IEEE 802.15.4 標(biāo)準(zhǔn)的 Zigbee 已成為嵌入式應(yīng)用中使用最廣泛的通信協(xié)議之一，適用于家庭自動(dòng)化，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，工業(yè)控制系統(tǒng)，嵌入式傳感器、醫(yī)療數(shù)據(jù)收集、煙霧及闖入者警告、樓宇自動(dòng)化、遠(yuǎn)程無線麥克風(fēng)配置等場(chǎng)合。它不適合在高速率和高速移動(dòng)的場(chǎng)合。

ZigBee 可工作在三個(gè)頻段 868MHz~868.6MHz、902MHz~928MHz 和 2.4GHz~2.4835GHz，其中最后一個(gè)頻段世界范圍內(nèi)通用，16 個(gè)信道，為免付費(fèi)、免申請(qǐng)的無線電頻段。三個(gè)頻段傳輸速率分別為 20kbps、40kbps 以及 250kbps。

ZigBee 優(yōu)缺點(diǎn)

ZigBee 是低成本、低功耗、低功率的短距離無線通信標(biāo)準(zhǔn)，是專為低速率傳感器和控制網(wǎng)絡(luò)而設(shè)計(jì)的無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)范，特點(diǎn)如下：

低功耗：由于 ZigBee 的傳輸速率低，發(fā)射功率僅為 1mW，而且采用了休眠模式，因此 ZigBee 設(shè)備非常省電。據(jù)估算，ZigBee 設(shè)備僅靠兩節(jié) 5 號(hào)電池就可以維持長達(dá) 6 個(gè)月到 2 年左右的使用時(shí)間，其他無線設(shè)備望塵莫及。

成本低：ZigBee 模塊的初始成本在 6 美元左右，估計(jì)很快就能降到 1.5~2.5 美元, 并且 ZigBee 協(xié)議免專利費(fèi)。

復(fù)雜性低：ZigBee 協(xié)議的大小一般在 4~32KB，而藍(lán)牙和 WiFi 一般都超過 100KB。

時(shí)延短：通信時(shí)延和從休眠狀態(tài)激活的時(shí)延非常短，典型的搜索設(shè)備時(shí)延為 30ms，休眠激活的時(shí)延是 15ms, 活動(dòng)設(shè)備信道接入的時(shí)延為 15ms。因此 ZigBee 技術(shù)適用于對(duì)時(shí)延要求苛刻的無線控制(如工業(yè)控制場(chǎng)合等)應(yīng)用。

網(wǎng)絡(luò)容量大：一個(gè)星型結(jié)構(gòu)的 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)最多可以容納 254 個(gè)從設(shè)備和一個(gè)主設(shè)備， 一個(gè)區(qū)域內(nèi)最多可以同時(shí)存在 100 個(gè) ZigBee 網(wǎng)絡(luò), 一個(gè)網(wǎng)絡(luò)中最多可以有 65000 個(gè)節(jié)點(diǎn)連接，網(wǎng)絡(luò)組成靈活。

可靠：采取了碰撞避免策略，為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專用時(shí)隙，避開了發(fā)送數(shù)據(jù)的競(jìng)爭和沖突。MAC 層采用完全確認(rèn)的數(shù)據(jù)傳輸模式， 每個(gè)發(fā)送的數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認(rèn)信息。如果傳輸過程中出現(xiàn)問題可以進(jìn)行重發(fā)。

安全：ZigBee 提供了基于循環(huán)冗余校驗(yàn)(CRC)的數(shù)據(jù)包完整性檢查功能，支持鑒權(quán)和認(rèn)證，采用 AES-128 的加密算法，各個(gè)應(yīng)用可以靈活確定其安全屬性。

此外，ZigBee 也有缺點(diǎn)：即抗干擾性差，通信距離短，而且 ZigBee 協(xié)議沒有開源。

設(shè)備類型和操作模式

zigbee 有三種設(shè)備類型

ZC: Zigbee 協(xié)調(diào)器，功能最強(qiáng)的設(shè)備，協(xié)調(diào)器構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)樹的根，可以連接到其他網(wǎng)絡(luò)。每個(gè)網(wǎng)絡(luò)中只有一個(gè) Zigbee 協(xié)調(diào)器，因?yàn)樗亲畛鯁?dòng)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備。它存儲(chǔ)有關(guān)網(wǎng)絡(luò)的信息，包括充當(dāng)安全密鑰的信任中心和存儲(chǔ)庫；

ZR：Zigbee 路由器，除了運(yùn)行應(yīng)用程序功能外，路由器還可以充當(dāng)中間路由器，傳遞來自其他設(shè)備的數(shù)據(jù)；

ZED：Zigbee 終端設(shè)備，只包含與父節(jié)點(diǎn)(協(xié)調(diào)器或路由器)通信的足夠功能;它不能從其他設(shè)備中繼數(shù)據(jù)。這種關(guān)系允許節(jié)點(diǎn)在相當(dāng)長的時(shí)間內(nèi)處于休眠狀態(tài)，從而延長電池壽命。ZED 需要最少的內(nèi)存，因此，它的制造成本比 ZR 或 ZC 要低。

當(dāng)前的 zigbee 網(wǎng)絡(luò)里有兩種模式，帶信標(biāo)（beacon）的和不帶信標(biāo)的（non-beacon），在信標(biāo)不啟用的網(wǎng)絡(luò)中，使用不帶時(shí)隙的 CSMA / CA 信道訪問機(jī)制。在這種類型的網(wǎng)絡(luò)中，Zigbee 的路由器和接收端不能休眠，導(dǎo)致耗電量大。

在啟用信標(biāo)的網(wǎng)絡(luò)中，Zigbee 路由器節(jié)點(diǎn)發(fā)送周期性信標(biāo)，zigbee 的接收節(jié)點(diǎn)將定時(shí)的喚醒。節(jié)點(diǎn)在兩個(gè)信標(biāo)之間時(shí)間內(nèi)睡眠，從而降低其占空比并延長其電池壽命。信標(biāo)間隔取決于數(shù)據(jù)速率，它們?cè)?250 kbit / s 時(shí)可以從 15.36 毫秒到 251.65824 秒， 在 40 kbit / s 時(shí)從 24 毫秒到 393.216 秒，在 20 kbit / s 時(shí)從 48 毫秒到 786.432 秒。

eMTC

LTE-M，即 LTE-Machine-to-Machine，是基于 LTE 演進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，在 R12 中叫 Low-Cost MTC，在 R13 中被稱為 LTE enhanced MTC ，即 eMTC，為了更加適合物與物之間的通信，也為了更低的成本，對(duì) LTE 協(xié)議進(jìn)行了裁剪和優(yōu)化，旨在基于現(xiàn)有的 LTE 載波滿足物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備需求。

eMTC 基于蜂窩網(wǎng)進(jìn)行部署，支持上下行最大 1Mbps 的峰值速率，屬于物聯(lián)網(wǎng)中速率，速率比 NB-IoT 快三倍。設(shè)備通過支持 1.4MHz 的射頻和基帶帶寬，可直接接入現(xiàn)有的 LTE 網(wǎng)絡(luò)。eMTC 的關(guān)鍵能力在于速率高、可移動(dòng)、可定位以及支持語音，成本只有 Cat1 芯片的 25%，相比于 GPRS 速率要高四倍。

eMTC 的特性窄帶 LTE 其中最主要的幾個(gè)特性。第一，系統(tǒng)復(fù)雜性大幅度降低，復(fù)雜程度及成本得到了極大的優(yōu)化；第二，功耗極度降低，電池續(xù)航時(shí)間大幅度增強(qiáng)；第三，網(wǎng)絡(luò)的覆蓋能力大大加強(qiáng)；第四，網(wǎng)絡(luò)覆蓋的密度增強(qiáng)。

eMTC 具備 LPWA 基本的四大能力：一是廣覆蓋，在同樣的頻段下，eMTC 比現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)增益 15dB，極大地提升了 LTE 網(wǎng)絡(luò)的深度覆蓋能力；二是具備支撐海量連接的能力，eMTC 一個(gè)扇區(qū)能夠支持近 10 萬個(gè)連接；三是更低功耗，eMTC 終端模塊的待機(jī)時(shí)間可長達(dá) 10 年；四是更低的模塊成本，大規(guī)模的連接將會(huì)帶來模組芯片成本的快速下降，eMTC 芯片目標(biāo)成本在 1～2 美金左右。

eMTC 的應(yīng)用

eMTC 在智能物流上，具有防盜、防調(diào)換、實(shí)時(shí)溫度傳感和可定位優(yōu)勢(shì)，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控及定位，將信息記錄及上傳，可以對(duì)行駛軌跡查詢，eMTC 技術(shù)監(jiān)控設(shè)備支持語音，對(duì)于監(jiān)控更加到位。

在智能可穿戴設(shè)備中，可支持健康監(jiān)測(cè)、視頻業(yè)務(wù)、數(shù)據(jù)回傳和定位，可解決嬰幼兒和老人等社會(huì)重點(diǎn)保護(hù)對(duì)象的安全問題。

eMTC 技術(shù)應(yīng)用到車載車輛管理。因?yàn)?eMTC 可移動(dòng)性以及支持語音，對(duì)于車輛管理跟蹤定位有很大作用。如果醫(yī)院 120 車輛管理進(jìn)行 eMTC 技術(shù)應(yīng)用更新，醫(yī)院根據(jù)呼叫者電話打入的信號(hào)位置確定病人位置，120 司機(jī)根據(jù)位置，直接導(dǎo)航到目的地，可以節(jié)約寶貴的搶救時(shí)間。

eMTC 也可以以屏幕為抓手，應(yīng)用到智能充電樁、候機(jī)寶、電梯衛(wèi)士、智能公交站牌、公共自行車管理等方面。

SigFox

SigFox 成立于 2009 年，是一家總部位于法國 Labège 的法國公司。SigFox 是為打造物聯(lián)網(wǎng)的無線網(wǎng)絡(luò)而生的，其優(yōu)勢(shì)在于沒有傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)的包袱，針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的特點(diǎn)，壓縮成本、廣泛覆蓋及提升速率，多適用海外智能制造等場(chǎng)景。

SigFox 在歐洲的推廣非常成功，SigFox 在全球范圍內(nèi)有自己的基站，目前在全球接近 60 個(gè)國家 / 地區(qū)開通了網(wǎng)絡(luò)。包括除了俄羅斯以外的歐洲主要 25 個(gè)國家，其中西歐很多國家實(shí)現(xiàn)了全覆蓋。另外在北美和中國也有覆蓋。拉美則是 SigFox 網(wǎng)絡(luò)覆蓋最好的區(qū)域。此外，有數(shù)據(jù)顯示 SigFox 在巴西的覆蓋率遠(yuǎn)遠(yuǎn)領(lǐng)先其他 LPWAN 技術(shù)。SigFox 擁有一個(gè)龐大的供應(yīng)商生態(tài)系統(tǒng)，包括德州儀器、Silicon Labs 和 Axom 等。

SigFox 使用專有技術(shù)，使用較低的調(diào)制速率來實(shí)現(xiàn)更長的傳輸范圍，SigFox 工作在 868MHz 和 902MHz 的 ISM 頻段，消耗很窄的帶寬或功耗。SigFox 無線電設(shè)備采用一種被稱為超窄帶(UNB)調(diào)制的技術(shù)，偶爾以低數(shù)據(jù)速率傳送短消息，由于是窄帶寬和短消息，因此對(duì)于僅需發(fā)送較小的不頻繁數(shù)據(jù)的突發(fā)應(yīng)用，SigFox 是絕佳選擇。當(dāng)然，SigFox 也有一些缺點(diǎn)，將數(shù)據(jù)發(fā)回傳感器、設(shè)備（下行能力）受到嚴(yán)重限制，信號(hào)干擾可能成為問題。

SigFox 網(wǎng)絡(luò)性能特征如下：

• 每天每設(shè)備 140 條消息
• 每條消息 12 個(gè)字節(jié)（96 位）
• 無線吞吐量達(dá) 100 位 / 秒

SigFox 應(yīng)用領(lǐng)域

SigFox 網(wǎng)絡(luò)和技術(shù)主要應(yīng)用于低成本的 M2M/IoT 領(lǐng)域，需要廣域網(wǎng)絡(luò)的覆蓋，有大量的應(yīng)用需要這種低成本的無線通信技術(shù)，SigFox 網(wǎng)絡(luò)可應(yīng)用的領(lǐng)域包括：

• 家庭和消費(fèi)品
• 能源相關(guān)的通信 - 尤其是智能電表
• 健康 - 尤其是正在發(fā)展中的移動(dòng)醫(yī)療應(yīng)用
• 交通 - 這可包括汽車管理
• 遠(yuǎn)程監(jiān)控和控制
• 零售，包括銷售點(diǎn)、貨價(jià)更新等
• 安全

結(jié)語

從演進(jìn)方向上來看，目前物聯(lián)網(wǎng)接入技術(shù)朝著低功率、廣覆蓋的方向發(fā)展的趨勢(shì)日益明顯。

首先對(duì)于傳統(tǒng)的蜂窩網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，在 5G 的標(biāo)準(zhǔn)中，已經(jīng)明確地將海量物聯(lián)接入作為 5G 未來業(yè)務(wù)的重要方向之一，并 3GPP 已經(jīng)把當(dāng)下比較熱的 NB-IoT 和 eMTC 技術(shù)定為了 5G 的技術(shù)之一。其次，在傳統(tǒng)的短距連接方面，也在優(yōu)化協(xié)議和技術(shù)結(jié)構(gòu)，以滿足低功耗大連接的需求，典型的就是 802.11ah。最后，有一個(gè)現(xiàn)象值得注意的是，一些非授權(quán)頻譜廣域技術(shù)，包括 LoRa 和 SigFox 等迅速崛起。在歐洲一些運(yùn)營商的扶持和推動(dòng)下，目前 LoRa 和 SigFox 在全球的產(chǎn)業(yè)推進(jìn)進(jìn)程以及商用化部署方面已經(jīng)超前于 NB-IoT。當(dāng)時(shí)歐洲運(yùn)營商押寶于這些技術(shù)，也是為了快速搶占低功耗廣覆蓋的物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)連接需求。

在中國，在產(chǎn)業(yè)的推進(jìn)以及政府政策的鼓勵(lì)下，三大運(yùn)營商均在積極推進(jìn) LPWA 技術(shù)的應(yīng)用，包括 NB-IoT 的商用以及 eMTC 的試點(diǎn)應(yīng)用。此外，科技巨頭紛紛入局 LoRa，呈現(xiàn)出大中小型企業(yè)、傳統(tǒng)企業(yè)與互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)共同參與的格局。國內(nèi)提供給 LoRa 發(fā)展的產(chǎn)業(yè)大環(huán)境不斷向好，LoRa 聯(lián)盟自身力量也在不斷壯大。

但是由于物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的多樣性，因此對(duì)網(wǎng)絡(luò)的需求差異較大。在大多數(shù)場(chǎng)景下，物聯(lián)網(wǎng)作為一個(gè)多樣化的市場(chǎng)，沒有任何一個(gè)技術(shù)可以解決所有問題，各種方案實(shí)施者和產(chǎn)品設(shè)計(jì)者要基于帶寬、覆蓋范圍、網(wǎng)絡(luò)容量、可靠性、電池壽命、成本、交互頻率和擴(kuò)展性等標(biāo)準(zhǔn)之間找到一個(gè)平衡來形成決策。

在未來，或許沒有一種通信技術(shù)能夠一統(tǒng)天下，各協(xié)議之間更多的是“互補(bǔ)效應(yīng)”，而非“替代效應(yīng)”。

與非網(wǎng)原創(chuàng)內(nèi)容，未經(jīng)許可，不得轉(zhuǎn)載！