物联网设备的七大无线标准

2023-05-30 0 352

随著计算机控制系统、电子控制技术的不断进步,有线通信控制技术的飞速发展,往后一两年中出现了一些捷伊有线国际标准:Zigbee、 Z-Wave、LoRa、LTE-M、NB-IoT、Wi-Fi 802.11ah(HaLow)和802.11af(White-Fi)等。

下列是其中最畅销的两个国际标准,责任编辑将概要如是说它的机能和缺点:

物联网设备的七大无线标准

部分协定对照

01Zigbee:私有、长距离、高效率且安全可信

物联网设备的七大无线标准

Zigbee与有线连接类似于,是一种高效能、低统计数据速率、零距离自组织机构有线互联网,全力支持柱状层次结构,采用了IEEE 802.15 WPAN规范化,提供更多250 kbps、40 kbps和20 kbps的统计数据速度,根本无法在10至100米的覆盖范围内工作。Zigbee网状互联网能包涵共约65000个电子设备,这是有线连接LE能全力支持的三倍。

国联大部份,该国联负责管理保护和正式发布Zigbee国际标准,根据其中文网站重要信息显示,亚洲地区三十多亿部采用Zigbee控制技术的电子设备。

Zigbee十分受物联网电子设备生产商的追捧,它提供更多了使用者需要的绝大多数基本要素(连通性、覆盖范围、安全性),因此作为对外开放行业国际标准,它容许与任何人Zigbee证书的电子设备进行互操作性。OEM供应商最大的埋怨是重新加入国联的生产成本、证书和缺少对外开放GPL许可,因为OEM要要成为国联的核心成员就可以采用其控制技术。

Zigbee主要用作家庭核心成员智能化应用领域,如智能化照明设备、智能化可携式和家庭核心成员可再生能源监视。它还常见于工业智能化、智能化仪表和安全可信控制系统。

02Z-Wave:长距离、高效率、高可信

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Z-Wave与ZigBee相似,是一种基于射频的、高效率、高效能、高可信、适于互联网的长距离有线通信控制技术。Z-Wave的结构是源路由网格互联网,即大部份电子设备都连接到一个中心集线器,通常是路由器或网关。互联网本身由三个层组成,它协同作业,以确保大部份电子设备都能够同时通信。有线电层定义了信号在互联网和有线电硬件之间的交换方式,而互联网层则确定如何控制节点和电子设备之间交换的统计数据。此外,应用领域层将消息分配给特定的应用领域程序,以便完成类似于于开灯这样的任务。

Z-Wave的工作频带为908.42MHz(美国)~868.42MHz(欧洲),采用FSK(BFSK/GFSK)调制方式,统计数据传输速度为9.6 kbps,信号的有效覆盖覆盖范围在室内是30m,室外可超过100m,适合于窄宽带应用领域场合。

Z-Wave控制技术设计用作住宅、照明设备商业控制以及状态读取应用领域,例如抄表、照明设备及家电控制、HVAC、接入控制、防盗及火灾检测等。Z-Wave可将任何人独立的电子设备转换为智能化互联网电子设备,从而能实现控制和有线监测。Z-Wave控制技术在最初设计时,就定位于智能化家居有线控制领域。采用小统计数据格式传输,40kb/s的传输速度足以应。与同类的其他有线控制技术相比,拥有相对较低的传输频率、相对较远的传输距离和一定的价格优势。

03LoRa:私有、远程、便宜且安全可信

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类似于于Zigbee,LoRaWan是一项私有控制技术,由非营利组织机构LoRa国联定义和控制。主要区别在于,Zigbee是一种短程物联网协定,旨在将多个电子设备紧密连接起来,而LoRa专注于广域网。

LoRa特别适用作远程通信,其调制方式相对于其他通信方式大大增加了通信距离,可广泛应用领域于各种场合的远距离低速度物联网有线通信领域。比如自动抄表、楼宇智能化电子设备、有线安防控制系统、工业监视与控制等。具有体积小、功耗低、传输距离远、抗干扰能力强等特点,可根据实际应用领域情况对天线增益进行调节。

LoRaWAN互联网架构是一个典型的星形拓扑结构,在这个互联网架构中,LoRa网关是一个透明的中继,连接终端电子设备和服务器。网关与服务器通过国际标准IP连接,而终端电子设备采用单跳与一个或多个网关通信,大部份的节点均是双向通信。LoRa网关和模块间以星形网方式组网,而LoRa模块间理论上能点对点轮询的方式组网,但是点对点轮询效率要远远低于星形网。网关能实现多通道并行接收,同时处理多路信号,这大大增加了互联网容量。

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LoRa互联网构成

但随著LoRa电子设备和互联网部署的增多,其相互之间会出现一定的频谱干扰。

04LTE-M:蜂窝控制技术

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LTE-M是一种专为满足物联网或机对机通信应用领域需求而设计的蜂窝控制技术,LTE-M是移动电信运营商的有线控制系统,得到了行业协会GSMA和3GPP国际标准组织机构的全力支持。LTE-M的主要缺点之一是具有亚洲地区连通性的潜力,因此它是唯一适合长时间跟踪移动物体的控制系统。GSMA表示:“该控制技术可改善室内和室外覆盖覆盖范围,全力支持大量的低吞吐量电子设备、低延迟灵敏度、超低电子设备生产成本、低电子设备功耗的互联网架构。”

由于LTE-M是通过蜂窝互联网工作的,因此可用作监测、控制和接收在运输工具(例如卡车、火车、船等)中的IoT电子设备的重要信息。当LTE互联网不可用时,控制系统能退回到WCDMA(3G)或GPRS/EDGE(2G)来保持连接。

LTE-M还基于蜂窝基站定位提供更多定位服务,无需采用GPS或Galileo等基于卫星的控制系统。对于需要为其电子设备配备基本定位控制系统的OEM来说,此机能可节省大量生产成本。

然而,LTE-M的最大的优势是安全可信性。蜂窝连接的电子设备需要装有SIM芯片,它能嵌入电路板中,并在工厂进行预配,设置密钥和签名。一旦为SIM卡配置了嵌入式密钥,在没有对电子设备进行物理访问的情况下,就无法修改这些密钥。

SIM是可提供更多NSA Suite B AES-256加密和身份证书的安全可信模块。

LTE-M的另一个缺点是即使在停电期间也能保持连接。由于它连接到蜂窝互联网,因此不需要接入点(AP),只要物联网电子设备电池正常工作,它就能保持连接状态。

这就是为什么基于蜂窝的物联网连接被广泛应用领域于电网、家庭核心成员、办公室安全可信和车队管理等关键应用领域。

LTE-M唯一的问题是生产成本高。要采用该控制系统,需要订购运营商服务,每个连接的电子设备中都需要有一个SIM卡。

05NB-IoT:蜂窝控制技术

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NB-IoT构建于蜂窝互联网,只消耗大约180kHz的带宽,可直接部署于GSM互联网、UMTS互联网或LTE互联网,以降低部署生产成本、实现平滑升级。

NB-IoT聚焦于高效能广覆盖物联网市场,是一种可在亚洲地区覆盖范围内广泛应用领域的新兴控制技术。其具有覆盖广、连接多、速度低、生产成本低、功耗低、架构优等特点。NB-IoT采用License频段,可采取带内、保护带或独立载波三种部署方式,与现有互联网共存。

NB-IoT具备四大特点:一是广覆盖,将提供更多改进的室内覆盖,在同样的频段下,NB-IoT比现有的互联网增益20dB,相当于提升了100倍覆盖区域的能力;二是具备支撑连接的能力,NB-IoT一个扇区能够全力支持10万个连接,全力支持低延时敏感度、超低的电子设备生产成本、低电子设备功耗和优化的互联网架构;三是更高效能,NB-IoT终端模块的待机时间可长达10年;四是更低的模块生产成本,企业预期的单个接连模块不超过5美元。

06White-Fi和HaLow:高效率、覆盖范围扩大,但安全可信性低

IEEE 802.11af(White-Fi)和IEEE 802.11ah(HaLow)均采用先前授权的频谱,因此不会干扰2.4 GHz和5 GHz频带中的传统Wi-Fi信号,也不会干扰2G和3G蜂窝互联网。部分频谱与美国采用的某些LTE信道共享。

White-Fi利用的是广播电视转向数字地面电视以及之前的一些UHF频道停止运作时释放出来的数字红利。在美国和欧洲,对数字红利频谱的采用有不同的规定,连接的电子设备需要定期寻找可用的频率。

HaLow将Wi-Fi扩展到900 MHz频段,使传感器和可穿戴电子设备等应用领域所需的高效能连接成为可能。由于此频率可免费用作基本通信,因此HaLow是IoT的首选Wi-Fi国际标准。

HaLow的最大问题是在亚洲地区覆盖范围内的未许可频谱不统一:HaLow在美国的工作频率为900 MHz,在欧洲为850 MHz,在中国为700 MHz,在许多国家甚至没有工作频谱。

由于低频带的特性,这两种控制技术都不适合高速或大容量的统计数据传输。但是,它能用作为大量部署的电子设备提供更多连接。

HaLow能提供更多低至150kbps的统计数据速度。

对于新一代高效能电子设备来说,低于1 GHz的连接也是至关重要的,它的电池寿命通常需要达到数年。对于世界各地城市部署的数十亿个传感器和监视电子设备来说,这种电池性能是必不可少的。

HaLow还提供更多了一些节电机能,例如目标唤醒时间(TWT)和交通指示图(TIM),使IoT电子设备能够在选定的时间间隔进行通信,从而节省电池电量。

2017年,IEEE推出了另一个针对物联网的Wi-Fi国际标准:802.11ax(后被正式更名为WiFi 6)。与HaLow相比,802.11ax的优势在于采用了2.4 GHz和5 GHz频带,更适合于本地覆盖范围的物联网。

在安全可信问题方面,Wi-Fi缺少对蜂窝互联网上SIM卡提供更多的安全可信元件和硬件加密的保护。但是,要在大覆盖范围内部署数百或数千个有线传感器,White-Fi和HaLow能提供更多高效率的连接和良好的性能。

07什么是最适合您的选择?

如果你寻求的是一种高效率的解决方案零距离连接非关键电子设备,那么Zigbee、Z-Wave或White-Fi可能是最佳选择。Zigbee的DotDot软件将帮助你开发与其他Zigbee电子设备兼容的解决方案,前提是要重新加入Zigbee国联。

对于远距离应用领域,Lo-RaWan、LTE-M或NB-IoT是最佳选择。LTE-M是最强大、最安全可信的,也有蜂窝互联网的全力支持,但在价格上可能也是最昂贵的。它能够保证亚洲地区连接,可用作货运和车队管理。

对于不需要定位服务或NSA级安全可信性的本地中型互联网而言,LoRa则是一个很好的解决方案。

因此,选择哪种解决方案完全取决于自身的需求,使用者能根据自己的实际情况择优选择。

原文链接:

https://iot.eetimes.com/top-wireless-standards-for-iot-devices/

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