物聯(lián)網(wǎng)（IoT）這個(gè)概念于1999年首次出現(xiàn)，它描述了一種使用互聯(lián)網(wǎng)來(lái)改善人類生活的智能設(shè)備網(wǎng)絡(luò)。在數(shù)字化實(shí)體世界中，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用相當(dāng)廣泛，市場(chǎng)潛能與商機(jī)龐大。

以物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展來(lái)說(shuō)，2021年物聯(lián)網(wǎng)已在數(shù)個(gè)主要領(lǐng)域落地成形，如個(gè)人醫(yī)療、設(shè)備資安、公共城市及商業(yè)制造等領(lǐng)域，其中又以城市、家庭、制造與醫(yī)療發(fā)展最積極。

物聯(lián)網(wǎng)中的連接技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用在本質(zhì)上是關(guān)于設(shè)備或過(guò)程的遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理。沒(méi)有連接，物聯(lián)網(wǎng)就不可能存在，物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng)中的設(shè)備只有連接到其他設(shè)備才能工作。目前有很多種技術(shù)可以提供這種連接，如圖所示。

蜂窩、藍(lán)牙、Wi-Fi、Zigbee、LTE-M、LoRa、NFC等均是物聯(lián)網(wǎng)中最常見(jiàn)的通信技術(shù)和協(xié)議，這些物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議滿足了絕大部分物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的特定功能要求。

蜂窩通信是一個(gè)由電信運(yùn)營(yíng)商部署且覆蓋范圍廣、可靠性和安全性都很高的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，用戶無(wú)需再建一個(gè)全新的網(wǎng)絡(luò)來(lái)連接物聯(lián)網(wǎng)項(xiàng)目中的各種設(shè)備。蜂窩連接通常是高度移動(dòng)的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的理想選擇。隨著5G的大規(guī)模部署，跨廣域連接的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備（也稱為“大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)”，massive IoT）將成為現(xiàn)實(shí)，將跨廣域連接數(shù)千個(gè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。高數(shù)據(jù)速率蜂窩連接是數(shù)據(jù)密集型物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用、高速移動(dòng)設(shè)備和實(shí)時(shí)視頻流的完美選擇。在超大規(guī)模蜂窩物聯(lián)網(wǎng)白皮書(shū)中給出了這樣一組數(shù)據(jù)，到2026年底，蜂窩物聯(lián)網(wǎng)僅占所有連接的22%，算下來(lái)約有59億設(shè)備將通過(guò)蜂窩網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)連接。原因也很明顯，即：雖然蜂窩網(wǎng)絡(luò)能夠發(fā)送大量數(shù)據(jù)，尤其是4G和5G網(wǎng)絡(luò)，但對(duì)于許多應(yīng)用來(lái)說(shuō)，它的成本和功耗太高了。

WiFi基于IEEE802.11的通信協(xié)議， 是一種允許帶WiFi功能的設(shè)備連接到一個(gè)無(wú)線局域網(wǎng)（WLAN）的技術(shù)，WiFi全稱Wireless Fidelity。大多數(shù)WiFi版本工作在2.4GHz免許可頻段，傳輸距離一百200米以內(nèi)，具體取決于應(yīng)用環(huán)境。流行的802.11n速度可達(dá)300Mbps，而更新的工作在5GHz ISM頻段的802.11ac，速度甚至可以超過(guò)1.3Gbps。目前一些工廠已經(jīng)覆蓋了專用的WiFi網(wǎng)絡(luò)，對(duì)于這類應(yīng)用環(huán)境，推薦使用WiFi通信方式；WiFi通信具有成本低，速度快等優(yōu)點(diǎn)。

藍(lán)牙是一種重要的短程無(wú)線通信協(xié)議，在計(jì)算機(jī)和消費(fèi)品市場(chǎng)中占有重要一席，更是可穿戴產(chǎn)品中的關(guān)鍵技術(shù)。新的藍(lán)牙低功耗（BLE）是物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的重要通信協(xié)議，尤其適用于小型電池供電設(shè)備。支持藍(lán)牙的智能手表和健身追蹤儀可以將數(shù)據(jù)快速回傳，在智能手機(jī)上用戶就能很方便的查看相關(guān)信息。

ZigBee是基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低功耗局域網(wǎng)協(xié)議，是一種短距離、低功耗的、低成本無(wú)線自組網(wǎng)通訊技術(shù)。在國(guó)內(nèi)ZigBee主要工作在2.4G頻段，共16個(gè)信道，理論的通信速率是250kbps；不同于其它無(wú)線通信技術(shù)，ZigBee的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要有星型網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)具備自組網(wǎng)及自愈能力，能夠?qū)崿F(xiàn)多級(jí)中繼通信服務(wù)；它的特點(diǎn)是低功耗、自組網(wǎng)、節(jié)點(diǎn)數(shù)多。由于工作在2.4G頻段，同時(shí)受限于發(fā)射功率，ZigBee的通信距離一般在100m以內(nèi)；多級(jí)的無(wú)線中間通信，也會(huì)降低整個(gè)鏈路的通信速率。

LPWAN：物聯(lián)網(wǎng)中重要的連接技術(shù)

在行業(yè)內(nèi)，LPWAN技術(shù)堪比一項(xiàng)革命性的物聯(lián)網(wǎng)接入技術(shù)，它具有低功耗、長(zhǎng)距離、低帶寬、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)營(yíng)成本低等特點(diǎn)。與蜂窩、Wi-Fi、藍(lán)牙、ZigBee等技術(shù)相比，LPWAN真正實(shí)現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)的低成本廣覆蓋。LoRaWAN、NB-IoT、LTE-M或RPMA等均被歸類為L(zhǎng)PWAN。其中，NB-IoT和LoRa是LPWAN中的主要技術(shù)，也是大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的首選技術(shù)。

NB-IoT

窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）是IoT領(lǐng)域的一項(xiàng)新興技術(shù)，它能夠以低成本實(shí)現(xiàn)廣泛的物聯(lián)網(wǎng)連接，拓寬了物聯(lián)網(wǎng)的潛在應(yīng)用。根據(jù)愛(ài)立信Mobility Report November 2020的報(bào)告，接下來(lái)，NB-IoT/Cat-M（Cat-M1也被稱為L(zhǎng)TE-M）將出現(xiàn)爆炸性增長(zhǎng)，從2020年的近2億個(gè)聯(lián)網(wǎng)設(shè)備增長(zhǎng)到2026年底的約26億個(gè)，占所有蜂窩物聯(lián)網(wǎng)連接的45%。

高通公司是較早推出NB-IoT芯片的企業(yè)，早在2017年3月發(fā)布并于5月底量產(chǎn)的MDM9206芯片便是一款用于LTE物聯(lián)網(wǎng)且支持多模式的芯片，它集成了MTC、NB-IoT和GPRS三種技術(shù)。該芯片支持全球Cat-M1和Cat-NB1 LTE的所有頻段，集成GPS、GNOSS、北斗和伽利略全球?qū)Ш叫l(wèi)星定位服務(wù)，實(shí)現(xiàn)了低成本、低功耗、低帶寬、廣覆蓋的物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品和服務(wù)。

緊隨高通，一年后，Nordic也向業(yè)界發(fā)布了其首款NB-IoT/LTE-M雙模芯片和模組nRF91系列，并且成為繼Altair、Sequans和高通公司之后第四家發(fā)布商用NB-IoT芯片的跨國(guó)公司。Nordic的nRF91系列是一款支持3GPP R13規(guī)范的LTE-M/NB-IoT雙模芯片，其中的nRF9160 SiP是業(yè)內(nèi)率先采用ArmCortexM-33 CPU內(nèi)核的NB-IoT模塊，具有1MB閃存和256kB RAM板載內(nèi)存。nRF9160 SiP還是首個(gè)將Arm當(dāng)時(shí)最先進(jìn)的Arm TrustZone和Arm CryptoCell安全功能融入互聯(lián)網(wǎng)級(jí)加密和應(yīng)用保護(hù)中。這些技術(shù)都是設(shè)計(jì)用于高能效，并且在運(yùn)算能力、功耗和安全性方面要求超高性能水平的嵌入式IoT產(chǎn)品。nRF9160 SiP模塊的尺寸僅為10 x 16 x 1mm，適用于非常緊湊的可穿戴消費(fèi)產(chǎn)品和醫(yī)療設(shè)備，主要應(yīng)用包括資產(chǎn)監(jiān)控和跟蹤、公用事業(yè)計(jì)量、工業(yè)和預(yù)測(cè)性維護(hù)、智慧城市和基礎(chǔ)設(shè)施、智慧農(nóng)業(yè)和醫(yī)療等。

LoRa

LoRa是主流的LPWAN通信技術(shù)，它是一種基于調(diào)頻擴(kuò)頻技術(shù)的超長(zhǎng)距離無(wú)線傳輸方案，充分考慮了距離和功耗，為用戶提供了電池壽命長(zhǎng)、傳輸距離長(zhǎng)的簡(jiǎn)單傳感器網(wǎng)絡(luò)。LoRa傳輸信道的帶寬為157dB，理論傳輸距離可達(dá)15km，工作電流僅為10mA，待機(jī)電流為200nA，功耗非常低，有利于延長(zhǎng)電池的使用壽命。LoRa的網(wǎng)絡(luò)頻段基本上是世界上的自由頻段，這些頻段是433Hz、868Hz、915Hz等。LoRa的終端節(jié)點(diǎn)是各種物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，例如智能抄表、智能電表、快遞跟蹤器、牧場(chǎng)管理器等。

據(jù)2022年12月初最新的市場(chǎng)消息，Semtech LoRa生態(tài)合作伙伴深圳矽遞科技攜手物聯(lián)網(wǎng)方案商Stal Data公司，在位于荷蘭的集約式養(yǎng)豬場(chǎng)部署了基于LoRaWAN協(xié)議的SenseCAP環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備，對(duì)養(yǎng)豬場(chǎng)內(nèi)二氧化碳濃度、氨濃度，以及溫濕度等各種環(huán)境參數(shù)實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)，并通過(guò)在線直播實(shí)時(shí)展示豬群的生長(zhǎng)情況，在大幅提升生產(chǎn)效率的同時(shí)，食品安全的透明與可追溯性也有了保證。目前，LoRa已經(jīng)擁有成熟的生態(tài)鏈，預(yù)計(jì)未來(lái)幾年將保持快速發(fā)展。

LoRa是專為長(zhǎng)距離和低功耗應(yīng)用場(chǎng)景開(kāi)發(fā)的無(wú)線通信技術(shù)，它在物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中的發(fā)展與每個(gè)LoRa終端設(shè)備中的LoRa模塊密不可分。Microchip公司的RN2483是一款基于LoRa技術(shù)且經(jīng)過(guò)全面認(rèn)證的868MHz模塊，在Sub-GHz頻帶內(nèi)使用獨(dú)特的擴(kuò)頻調(diào)制，以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離、低功率和高網(wǎng)絡(luò)容量。該模塊的嵌入式LoRaWAN協(xié)議支持無(wú)縫連接到任何符合LoRaWAN的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施。RN2483還是一款率先通過(guò)LoRa聯(lián)盟認(rèn)證測(cè)試的LoRa模塊，它通過(guò)了LoRaWAN 1.0.1規(guī)范的認(rèn)證，確保設(shè)計(jì)者能夠快速輕松地將其終端設(shè)備集成到任何LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)中。其中，RN2483A-I / RM104-LoRaWAN規(guī)范1.0.1，適用于A級(jí)應(yīng)用；RN2483A-I / RM105-LoRaWAN規(guī)范1.0.2，支持A級(jí)和C級(jí)應(yīng)用。

物聯(lián)網(wǎng)通訊技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

TrendForce資深分析師曾伯楷指出，傳統(tǒng)物聯(lián)網(wǎng)多以感知層、網(wǎng)絡(luò)層、系統(tǒng)層與應(yīng)用層作為架構(gòu)堆棧，受物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備連線技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)各異的影響，通訊技術(shù)成為物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)中相當(dāng)重要的一環(huán)，從蜂巢式的4G、5G、LTE-M、NB-IoT，到非蜂巢式的LoRa、Sigfox、Wi-Fi、Wi-SUN等，從智慧城市、工廠、家庭乃至零售店面皆被廣泛運(yùn)用，范圍也從地表拉升至太空，近期衛(wèi)星通訊也漸成物聯(lián)網(wǎng)重要的通訊技術(shù)之一。

短距離通訊及長(zhǎng)距離通訊各有優(yōu)劣勢(shì)。常見(jiàn)的長(zhǎng)距通訊多為低功耗廣域網(wǎng)路技術(shù)(LPWAN)，藉低成本、遠(yuǎn)距離、低功耗等通訊特性，在物聯(lián)網(wǎng)諸多應(yīng)用場(chǎng)景中成為最適切的通訊技術(shù)之一。短距離通訊則以智慧家庭或封閉場(chǎng)域的連線為主，包括行之有年的Wi-Fi、藍(lán)牙等，成本、功耗較高，傳輸速度快而且流量大。

基本上，長(zhǎng)、短距通訊因場(chǎng)景與需求較為分明，所以采用選擇較為明確，主要挑戰(zhàn)在于各技術(shù)皆能重疊應(yīng)用的垂直領(lǐng)域，有諸多層面會(huì)影響廠商抉擇，成本是最直接的考量因素，或者是來(lái)自于芯片商與標(biāo)準(zhǔn)制定話語(yǔ)權(quán)的角力，進(jìn)一步延伸為聯(lián)盟、生態(tài)圈等如何壯大，以吸引更多軟硬件開(kāi)發(fā)商采用。

結(jié)語(yǔ)

物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中有兩種主要類型的無(wú)線技術(shù)。一種是短程無(wú)線技術(shù)，如藍(lán)牙 / Wi-Fi / ZigBee / NFC，藍(lán)牙或NFC等個(gè)人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)（PAN）的范圍為一米或兩米，用于連接耳機(jī)等個(gè)人設(shè)備，其中的NFC（近場(chǎng)通信）也是一種物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，它實(shí)現(xiàn)了電子設(shè)備之間的簡(jiǎn)單和安全的通信，這些短程無(wú)線技術(shù)中部署極為廣泛的是Wi-Fi，幾乎普遍部署在住宅和企業(yè)環(huán)境中；另一種是構(gòu)成廣域網(wǎng)的技術(shù)，如2G / 3G / 4G / 5G。每種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)都很明顯。LPWAN是一種面向物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)距離、低功耗要求的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)層技術(shù)。在LPWAN之前，在遠(yuǎn)程和低功耗之間通常只有一種選擇。使用LPWAN后，人們無(wú)需在二者之間再做權(quán)衡了，LPWAN除了實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信和超低功耗外，還可以節(jié)省額外的中繼成本。

LPWAN是物聯(lián)網(wǎng)不可或缺的一部分，它具有靈活和可擴(kuò)展的特性，網(wǎng)絡(luò)規(guī)?？纱罂尚?，這是物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)成長(zhǎng)和探索階段所必需的，據(jù)稱也是極為適合物聯(lián)網(wǎng)的無(wú)線通信技術(shù)。根據(jù)Facts and Factors的預(yù)測(cè)，2021年全球物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備市場(chǎng)規(guī)模為15.295億美元，預(yù)計(jì)到2028年將增長(zhǎng)至27.2442億美元，預(yù)測(cè)期內(nèi)復(fù)合年增長(zhǎng)率（CAGR）約為10.10%。蓬勃發(fā)展的物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)也一定會(huì)帶火其中的關(guān)鍵技術(shù)。目前，LPWAN中的兩大物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)NB-IoT和LoRa正在快速發(fā)展，未來(lái)前景可期。

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