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关于物联网能够将不同地点的人、物体都联系起来这些相关信息人们可能已经听得太多了。但是目前为止我们好像还没有看到显著的发展，因为目前这方面需求的驱动力不是来自消费者，而是相关工业、政府以及其它应用领域，就不一一列举了。但是肯定的是：物联网（IoT）正在不断兴起，只不过不是按照每个人所认为的那样。证据表明无线运营商结合初创公司正在努力把一切小型传感器相关的设备接入到整个物联网（IoT）系统中来。 除了我们比较熟悉的ZigBee、WiFi和蓝牙（Bluetooth）的连接方式还有两种基本的连接方式能够实现物联网（IoT）设备与主机之间的通信，分别是蜂窝网络和低功耗广域网（LPWAN）。LPWAN设计者的目标就是赶在无线运营商之前在更多的城市地区实现网络部署，主要有以下三种解决档案：
目前的形势来看竞赛已经开始，无线运行商本身就具备的巨大的优势，它们已经无所不在。但是LPWAN提供商也迅速找到了自己的解决方案，我们可以明显的看出在不久的将来物联网（IoT）连接领域将会带来巨大的利润收益。这场竞争也会在无线运行商和LPWAN提供商之间展开。 无线运营商现在凭借其传统的2G技术已经能够提供互连解决方案，目前正在维护改进。然而大部分无线运营商决定在今年12月31日前彻底关闭2G网络技术，行业内称为“2G日落”，同时也意味着依靠2G网络的系统应用也要在此日期之前升级到3G或者4G网络。第三代合作项目（3GPP）负责管理无线标准，在六月份最新发布的Release13版本中增加了面向物联网（IoT）应用的设计规范，在2019年5G技术最终确定之前，物联网（IoT）互连规范都会不断的做出修订，随后几年无线运营商会在物联网（IoT）互连方面持续做出努力。 物联网（IoT）互连以距离来划分可分为三种类型：短距离、中距离和远距离。 短距离：对于这类应用主要采用蓝牙（Bluetooth）、WiFi和Zigbee通信方式，这些标准从最初设计的目标就是面向短距离通信连接的，因此通常以米为单位，而不是公里。 中距离：这种类型的应用市场主要被无线运营商和LPWAN提供商占据，具有很多特性，比如低成本、电信级别的安全和加密以及针对特定应用的功能特性。对于无线运营商而言这类的解决方案目前成本还比较高，但是我们相信有来自LPWAN提供商的竞争压力，运营商肯定会逐渐降低成本，提高性价比。 远距离：与太空中的卫星之间实现互连通信应该是最远的距离了，但是花费也是最贵的。而且拓展到火星甚至更远的距离，延迟和功耗问题就变得越来越显著。 下面我们将主要讨论中距离的物联网（IoT）互连解决方案，这种类型的应用我们可以采用两种技术：借助蜂窝载波技术的无线网络以及不断壮大的低功耗广域网（LPWAN）策略。 根据实际部署的调制方案LPWAN解决方案也存在很大的不同，比如超窄频带、窄频带和宽频带。超窄频带网络的发射端频带能够降低噪声，会给接收器端的敏感度、频带范围带来积极的影响，同时发射功率也更低一些。这些功能特性决定超窄频带系统所能实现的功能和应用场景，比如低数据速率、小型数据包、单向或者双向通信等。窄频带的网络则能够提供更好的适用性，对于频带范围和容量都具有广泛的使用性。最后，宽频带网路值得是频带在500KHz以上，最高能超过1MHz，当然它支持的数据速率也是最高的。 上面简短的总结介绍只是简单的向大家介绍了实际上存在的很多非常复杂的系统。例如每种类型的网络都可以通过扩频调制技术以及其它适当的方法来提升网络系统的能力。而且不同供应商提供的超窄频带、窄频带和宽频带网络性能也有很大的不同。对于潜在的客户做出选择也比较困难，还要考虑到其他一些因素，例如网络容量、服务质量、可靠性和安全性等，因此在做出具体解决方案选择之前需要全方面的考虑。 除了无线运营商提供的LTE/4G/5G技术能够支持物联网（IoT）互连应用领域，还有很多具有实例的竞争技术，下文介绍了六种物联网（IoT）互连新型技术：LoRa、Symphony Link（Ensemble）、SIGFOX、Weightless、Nwave和Ingenu。 所有开发的解决方案都具有自己的不同特性，基于适合的软件系统、网络技术和其它相关因素，每种技术方案都有自己适合的应用场景。 LoRa是“Long Range”的缩写，由LoRa联盟维护管理，是一种基于物理层实现网络数据通信的技术，支持双向数据传输，符合一系列开源标准。它的网络实现具体解决方案称为LoRaWAN，是由Semtech公司（拥有核心芯片技术）开发的，通过IBM公司的支持。LoRa技术采用chirp扩频调制技术，考虑到环境因素，这样的一个基站能够实现数百平方公里区域范围的网络覆盖。Semtech公司设计的SX1276低功耗长距离收发器可以应用于自动抄表、智能家居和楼宇自动化、无线预警和安全系统、工业监测和控制以及远程灌溉系统等等。 图1：Semtech SX1276低功耗长距离收发器功能模块框图（来源：Semtech） 这项技术能够实现多个通道不同数据速率的网络通信，主要与传输距离和所需求的消息持续时间有关。数据传输速率从300b/s到50kb/s,网络服务器和每个用户的物联网（IoT）设备终端的射频（RF）输出功率决定了数据传输速率。这种方法还提供了网络级、应用级和设备级的安全防护，适用于所有类型的双向通信物联网（IoT）设备。 这项网络技术是由Link Lab实验室开发的，可以说是在LoRaWAN基础上的一种修改，同样是基于物理层但是采用不同MAC设计结构，并且增加了一些额外功能。基于这项技术的首款产品称为Symphony Link系统，采用八通道基站，操作频率433MHz或者915MHz，以及欧洲标准868MHz。传输距离至少10英里，借助WiFi、蜂窝网络或者以太网实现云服务器的消息处理、路由、配置以及网络管理等操作。 SIGFOX技术是由一家法国公司开发的，该公司的名字也是SIGFOX，目前已经在19个国家实现了网络部署，包括美国的旧金山，目前网络覆盖面积达120万平方公里，也是这方面的技术领导者。这家公司宣称在五月份将会在美国继续部署这项技术，会涉及多达100个城市。SIGFOX网络技术的频率范围在868MHz或者915MHz，采用二进制相移键控（BPSK）格式传输非常小的数据包，传输速率也很低（300b/s）。SIGFOX能够实现长距离的网络覆盖以及通用的功能特性，适合各种小数据量的物联网（IoT）应用场景。 SIGFOX网络技术使用超窄频带调制技术，单个基站能够实现网络消息的传输最远达1000公里以上，每个基站允许多大100万个物联网（IoT）设备终端。每个数据包只有12字节，每个终端每天最多只能传输140条网络消息，对于这类的很多应用也是足够了。最初的SIGFOX网络是单向传输，但是不久就会支持双向传输功能。 这家公司还开源其知识产权，半导体公司额模块设计公司可以免费使用，目前已经有多家公司的SIGFOX芯片、天线、扩展和评估板卡、以及其它组件产品面市，例如安森美半导体公司开发的AX-SigFox以及AX-SigFox-API开发接口、SigFox网络节点单芯片解决方案。根据安美森半导体所述：“AX-SigFox是一个超低功耗单芯片解决方案，解决SigFox网络节点上行和下行传输功能。AX-SigFox芯片集成了所有必需的固件，能够发送和接收SigFox网络的数据包，非常方便使用。” 图2：安美森半导体公司AX-SigFox收发器IC芯片功能模块图（P/N：AX-SFEU-1-01TB05），使用RS232串口实现与用户上位机的连接，使用AT命令来发送数据实现无线参数的配置（图片：安美森半导体） 这项技术的开源标准有三个版本：Weightless-N、Weightless-P和Weightless-W。Weightless-N是单向传输的，传输范围超过5公里，是Weightless技术最基础的扩展。Weightless-N物联网（IoT）设备使得电池的使用寿命可达10年之久，可见其低功耗特性。Weightless-P是双向传输扩展版本，具有更丰富的功能特性，覆盖范围2公里，设备寿命可持续3年到8年。Weightless-W是最广泛的双向传输扩展实现方案，覆盖范围超过5公里，设备寿命一般在3年到5年，Weightless-W运行在TV空白空间频谱范围（TV white space spectrum，TVWS）。 Weightless网络采用GMSK和offset-QPSK扩频调制方案，12.5KHz宽频通道，射频发射功耗仅17dBm。应用到物联网（IoT）设备中时，静态电流功率消耗仅100μW，能够兼容很多物联网传感器，采用锂离子电池手表的电池就可以实现供电。Weightless可以在任何免费首选的频带使用，网络通信的两端都可以采用128/256 AES加密和验证算法。六月份，Weightless特殊权益组织将加入欧洲电信标准协会（ETSI），进一步加强和完善超窄频带技术解决方案。 Nwave采用超窄频带技术以及软件定义无线电规范，可以在任何未经授权的频带操作。单个基站可以容纳超过100万个物联网（IoT）设备终端，覆盖范围10公里，射频（RF）输出功率100mW甚至更低，数据传输速率100b/s,采用电池供电的设备寿命可长达10年。 Ingenu公司的机器网络操作频带在2.4GHz，采用的调制方案称为随机相位多址接入（RPMA），使用直接序列扩频，严格控制发射功率，增强接收器敏感度，提供性能更强的链路传输。RPMA的自调节功能能够在网络和终端设备之间找到合适的信号传输接口。 这家公司声称每个基站在常用的环境条件下能够覆盖300英里的范围。目前达拉斯/沃斯堡地区正在使用这项技术，覆盖地区范围2116平方英里，仅部署了17个访问接入点为超过440万人提供相关服务。除此之外目前已经有超过38个地区部署了这项技术。 对于这些解决方案，半导体供应商已经设计了多条产品生产线，而且在快速增长。例如Silicon Lab设计的Si4464收发器操作频率在119到1050MHz，非常低的运行功耗。德州仪器公司设计的CC1120收发器使用窄频带网络，数据传输通道频率低至12.5KHz，这家公司非常支持窄频带网络方案，在其白皮书上详细阐述了理论说明。Atmel公司设计的ATA8520单芯片发射器采用的是SIGFOX网络技术，运行频率868MHz，电流消耗低于33mA，输出功率大于14.5dBm。安美森半导体公司设计的AX-SIGFOX低功耗收发器运行频率同样为868MHz，集成了发射和接收固件。上文提到的四家公司都还有其他物联网（IoT）互连产品，并且为客户提供设计支持。 图3：德州仪器（TI）公司设计的CC1120高性能射频（RF）收发器的系统功能模块（图片：TI CC1120芯片数据手册） 目前在网络方面占据主导地位的还是无线运营商所提供的LTE通信解决方案。随着物联网在今年的不断兴起，3GPP组织正在制定开发流程标准。LTE-M发布了Release 12和Release 13版本，Release 13版本增加了很多面向物联网（IoT）应用的专属功能。支持窄频带200KHz以及宽频带1.4MHz，后者依旧比标准的LTE操作频率要低得多。所有双工模式的设计都是为了降低延迟和发射功率，对于使用两节AA级电池的设备电池寿命至少能达到5年。我们相信LTE调制解调器的成本花费会降低50%以上。 我们可以大胆的猜测，无线运营商是否会占据所有的物联网（IoT）互连市场份额。那些持肯定态度的人可能已经注意到在很多地方基础设备设施已经完成了部署，只需要做出一些小的修改即可。无线通信行业具有非常大的资源，它们肯定会致力于占据更大的市场份额，如果这说法成立，无线运营商会一下子击败所有竞争者。也就是说，尽管现在AT&T宣称即使使用“all-LTE”方法提供物联网（IoT）互连方案，但是也不排除会在一些具体的应用场景采用LPWAN网络技术方案。 另一部分人相信无线运营商会利用高性能的优势来解决更多的应用需求，基于云服务的高速数据传输应用与物联网（IoT）终端设备互连需要跨越巨大的地理区域，因此不得不花费更高的服务成本，一个典型的应用就是工业机器制造商的物联网（IoT）传感器分布在世界各地范围内。这个巨大市场的其余份额可以选择LPWAN服务提供商。无论这个市场发展的怎样的成熟，毫无疑问的是越来越多的人在未来的几年内将会看到物联网所带来的巨大发展。 [1] 向了解更多的信息，请看“蜂窝物联网（IoT）入门基础”，Ericsson的博客地址： http://www./research-blog/internet-of-things/cellular-iot-alphabet-soup/ [2] 参考文档： 出处：贸泽电子公众号 微信号：mouserelectronics |
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