物聯(lián)網(wǎng)無線通信：工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)連接的核心

本文要點(diǎn)：

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）連接可以通過多種方法實現(xiàn)。

這些方法在功耗要求、傳輸距離、成本和技術(shù)成熟度上各不相同。

考慮基于蜂窩技術(shù)的用戶需要了解他們計劃部署的國家的頻譜分配情況。

引言

我們生活在一個電子傳感器的世界中，這些傳感器不僅功能強(qiáng)大，還具備低成本和低功耗的特點(diǎn)。有些傳感器能夠檢測和測量光、熱、濕度、振動等參數(shù)，并且種類繁多。例如在工廠車間價值數(shù)百萬美元的資本設(shè)備周圍安裝的一系列傳感器可以傳達(dá)設(shè)備效率或維護(hù)需求的寶貴信息。

然而，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備往往是需要移動的，并且有線連接通常不切實際。那么，如何將這些豐富的信息傳輸?shù)奖镜卦O(shè)施管理系統(tǒng)或位于數(shù)千公里外的分析服務(wù)器呢？

本文將討論用于傳輸傳感器收集信息的幾種無線通信方法，這些方法使得無線工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)成為現(xiàn)實。眾所周知，不同的技術(shù)提供不同的傳輸速率、功耗需求，并且各自最適合不同的應(yīng)用場景。

值得一提的是，雖然“工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)（IIoT）”通常用于描述專業(yè)應(yīng)用，而“物聯(lián)網(wǎng)（IoT）”通常應(yīng)用于消費(fèi)者領(lǐng)域，但這兩個術(shù)語經(jīng)?；Q使用。

LoRa

LoRa是一種長距離低功耗、低速率的雙向通信標(biāo)準(zhǔn)。最大帶寬約為50 kbits/秒，非常適用于低功耗要求的電池供電設(shè)備。

LoRa工作在ISM（工業(yè)、科學(xué)、醫(yī)療，Industrial, Scientific Medical）頻段，其頻率中心約為0.9 GHz。這些頻率允許通信距離可達(dá)10至15公里，并且相比典型的2.4 GHz蜂窩頻率，具有更好的穿透障礙物的能力。

LoRa 與 Wi-Fi 和蜂窩通信的比較。圖片來源：Semtech

LoRa標(biāo)準(zhǔn)由LoRa聯(lián)盟管理，Semtech是其創(chuàng)始成員之一。LoRa標(biāo)準(zhǔn)得到了國際電信聯(lián)盟（ITU）的認(rèn)可，參考文獻(xiàn)為ITU-T Y.4480。正如上圖所示，LoRa的工作范圍比Wi-Fi和蜂窩網(wǎng)絡(luò)要長。雖然數(shù)據(jù)帶寬有限，但在許多用例中，這并不是問題。另一個優(yōu)勢是LoRa通信需要非常低的功耗，因此電源設(shè)備可以更小、更輕且不常需要充電或更換。

Zigbee

Zigbee是另一種低功耗技術(shù)。當(dāng)在2.4 GHz頻段上運(yùn)行時，支持的帶寬可達(dá)250 kbits/秒，而在ISM頻段時可達(dá)20 kbits/秒。其傳輸范圍較短，約為10至100米。這些范圍可以通過網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展，在網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)中，每個Zigbee節(jié)點(diǎn)可以與任何范圍內(nèi)的其他節(jié)點(diǎn)通信。

這意味著，如果一個節(jié)點(diǎn)的信號無法直接到達(dá)中心點(diǎn)，它可以將消息傳遞給范圍內(nèi)的相鄰節(jié)點(diǎn)。如果該節(jié)點(diǎn)仍無法到達(dá)中心點(diǎn)，它會繼續(xù)將消息傳遞給另一個節(jié)點(diǎn)，直到原始消息到達(dá)目的地。這個中心點(diǎn)可能與互聯(lián)網(wǎng)連接，也可能沒有。

Zigbee的主要優(yōu)勢在于，由于其低范圍和低數(shù)據(jù)容量，每個Zigbee節(jié)點(diǎn)消耗的電量非常少。

Zigbee標(biāo)準(zhǔn)由連接標(biāo)準(zhǔn)聯(lián)盟（CSA）制定。與之前描述的LoRa聯(lián)盟類似，遵守CSA標(biāo)準(zhǔn)確保任何新制造商的設(shè)備可以與符合該標(biāo)準(zhǔn)的現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)互操作。

LoRa和Zigbee的對比

LoRaWAN?適用于長距離通信，支持成千上萬的設(shè)備，非常適合智能農(nóng)業(yè)和資產(chǎn)追蹤等應(yīng)用。Zigbee則設(shè)計用于低功耗應(yīng)用，常用于家庭自動化和工業(yè)監(jiān)控。LoRaWAN?具有更長的傳輸距離，而Zigbee則提供更高的數(shù)據(jù)速率。

以下是二者的優(yōu)缺點(diǎn)對比：

LoRa

但是……數(shù)據(jù)帶寬較小使用未授權(quán)的無線電網(wǎng)絡(luò)可能導(dǎo)致信號干擾

Zigbee

但是……通常只適合室內(nèi)環(huán)境

LoRa和Zigbee的應(yīng)用場景

以下應(yīng)用列表并不全面。一些應(yīng)用場景，如工業(yè)監(jiān)控，可能視具體情況由任一技術(shù)服務(wù)。

LoRa適用于農(nóng)業(yè)、工業(yè)/工廠、零售監(jiān)控與控制、物流和智能防火。

Zigbee最適用于智能家居、樓宇自動化和醫(yī)療數(shù)據(jù)采集。

NB-IoT

窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）用于連接需要監(jiān)控和控制的遠(yuǎn)程設(shè)備。正如u-blox所描述的那樣，“NB-IoT是一種專注于‘物’之間通信的蜂窩技術(shù)，能夠在難以到達(dá)的地方通過較長周期傳輸少量數(shù)據(jù)?！?/p>

NB-IoT優(yōu)化了處理少量的雙向數(shù)據(jù)，其設(shè)備具有非常低的功耗，且價格低廉。由于相對較低的傳輸頻率，它們在建筑物內(nèi)和地下的覆蓋效果非常好。“對于典型的NB-IoT應(yīng)用來說，使用其他蜂窩空中接口成本過高，因為NB-IoT應(yīng)用不需要它們所有的功能。

適用于 GSM 和 LTE 頻段的 NB-IoT。圖片來源：Researchgate

NB-IoT的另一個優(yōu)勢是它使用許可頻譜，確保了通信的安全性和可靠性。作為一種蜂窩技術(shù)，如果NB-IoT節(jié)點(diǎn)移出一個基站的覆蓋范圍，它可以像智能手機(jī)一樣被下一個基站接管，保持連接不中斷。

NB-IoT的應(yīng)用場景

這種極低功耗技術(shù)可以使設(shè)備使用一顆手電筒電池持續(xù)工作多年。雖然數(shù)據(jù)傳輸速率較低，但信號范圍可達(dá)10公里。而且一個基站可以支持?jǐn)?shù)萬個設(shè)備。應(yīng)用場景包括：

5G Red_Cap

也許5G對消費(fèi)者的好處不大，除了更高的成本和擁有最新蜂窩技術(shù)的炫耀。5G的真正亮點(diǎn)在于它作為物聯(lián)網(wǎng)通信的媒介。一個案例是5G RedCap，即5G減容（Reduced Capacity），也稱為5G NR-Light。

5G Red_Cap由3GPP推出，3GPP是一個全球性合作組織，其成員包括世界領(lǐng)先的電子通信公司，共同定義和開發(fā)電信標(biāo)準(zhǔn)，包括5G。

5G RedCap的延遲與現(xiàn)有4G LTE技術(shù)相當(dāng)，遠(yuǎn)低于大多數(shù)低功耗廣域網(wǎng)技術(shù)（如NB-IoT）的延遲。這意味著5G RedCap可以支持需要接近實時數(shù)據(jù)通信的應(yīng)用，例如工業(yè)自動化和智能電網(wǎng)應(yīng)用。

5G Red_Cap沒有涵蓋5G的全部功能，實際上，Red_Cap是“減容”的縮寫。因此，使用該技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)通信具有較低的數(shù)據(jù)帶寬，成本更低，功耗更少。然而，正如Quectel所描述的那樣，“RedCap的下行吞吐量超過220 Mbps，上行超過120 Mbps，雖然遠(yuǎn)低于全5G的千兆速度，但相比NB-IoT或Cat M1更強(qiáng)大，并且延遲顯著低于4G網(wǎng)絡(luò)，適用于依賴接近實時數(shù)據(jù)通信的應(yīng)用?！?/p>

Red_Cap與LTE的對比

Red_Cap讓用戶能夠更快速地利用5G的重要子集功能，而無需承擔(dān)完全適應(yīng)5G的所有成本。

Red_Cap的應(yīng)用場景包括：

挑戰(zhàn)與機(jī)遇

NB-IoT 和 Redcap 等蜂窩技術(shù)是極具吸引力的選擇。在全球范圍內(nèi)，LTE 的定義相當(dāng)明確，但 5G 尚在發(fā)展中，因此考慮采用 RedCap 的組織需要了解他們打算運(yùn)營的國家/地區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)。

可能大家會注意到，我們在此討論的四種技術(shù)的用例表現(xiàn)出很大的重疊性。此外，雖然人們談?wù)?6G，但重要的是要意識到 5G 作為一項標(biāo)準(zhǔn)仍在不斷發(fā)展，因此今天不切實際的事情在幾個月后可能會成為現(xiàn)實。

被監(jiān)控的站點(diǎn)和設(shè)備現(xiàn)在正在生成大量數(shù)據(jù)，而通過互聯(lián)網(wǎng)傳輸這些數(shù)據(jù)的成本正在上升。因此，系統(tǒng)設(shè)計人員應(yīng)該通過稱為邊緣計算的過程在本地進(jìn)行盡可能多的數(shù)據(jù)分析，而不是完全依賴位于數(shù)千公里之外的分析引擎。

總結(jié)

現(xiàn)在我們可以輕松獲得廉價、高效且耗電量極少的傳感器。這些設(shè)備可以報告各種各樣的信息，這些信息在廣泛的消費(fèi)、工業(yè)、醫(yī)療和軍事情況下都很有用。這些傳感器及其檢索到的信息的一個重要用途是，它們消除了現(xiàn)場人員記錄、記錄和傳輸這些信息的需要。

在某些情況下，這些傳感器和本地控制中心之間的有線連接就足夠了。但更常見的情況是，從這些傳感器收集的數(shù)字信息必須傳輸?shù)綌?shù)千英里之外的分析引擎。無論如何，有線連接使設(shè)施空間的重組成為一個真正的問題。

這就是物聯(lián)網(wǎng)的用武之地。物聯(lián)網(wǎng)還消除了對有線連接的需求，有線連接會使庫存控制、運(yùn)輸和醫(yī)療保健等用例變得不可能。

Zigbee 和 LoRa 標(biāo)準(zhǔn)由成熟的國際組織控制。NB-IoT 主要基于成熟的標(biāo)準(zhǔn) LTE。

Redcap 基于不斷發(fā)展的標(biāo)準(zhǔn) 5G。與普遍看法相反，5G 對消費(fèi)者來說并沒有太大改變，但另一方面，它似乎是電信世界的發(fā)展方向。選擇適應(yīng)這一令人興奮的新選擇的設(shè)計師需要做好功課，因為成為先驅(qū)者可能會有風(fēng)險。

本文作者：Gary Elinoff 資料來源：Electropages

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