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物联网无线通信技术比较
2020/5/8 9:34:00   桃芯科技      关键字:物联网,无线,通信技术      浏览量:
物联网可以分成不同的场景物联网,比如工业物联,农业物联,城市物联,家居物联等等。技术层面,我们通常说物联网架构方面存在几大层次包括端,管,云几个方面。在端这一侧,传感器,小应用,无线传输是个完整的小生态,然后通过无线通信进行相应的大数据采集以及云端应用形成物联网大生态(下图为示意图)。
  物联网在经过多年由概念到实践的蛰伏,起伏之后,现在已经呈燎原之势,物联网时代已经到来。起的太早的,有些已经在沙滩上了,再晚了的需要迎头赶上了。
  从应用方面看,物联网可以分成不同的场景物联网,比如工业物联,农业物联,城市物联,家居物联等等。技术层面,我们通常说物联网架构方面存在几大层次包括端,管,云几个方面。在端这一侧,传感器,小应用,无线传输是个完整的小生态,然后通过无线通信进行相应的大数据采集以及云端应用形成物联网大生态(下图为示意图)。
  以大家常见的手环为例:通过加速度传感器,脉搏传感器,血氧传感,血压传感等等,加上蓝牙应用层协议(Profiles)和蓝牙内置的MCU,便可以实现计步,心率监测等等运动或健康应用,这里手环就是一个比较完整的小应用(如图路径1);最后利用蓝牙传输与手机连接就可以实现运动或健康数据采集,实现大数据监测和管理(如图路径2)。
  
  随着5G的商用,‘管’这一侧基本上也变得十分通畅,大带宽,低时延的特性,满足了各种物联网应用场景的需求。就蓝牙来说,各种应用如果出现与云之间的交互的话,5G就能比较好的克服时延的问题。举个栗子,在家居场景,如果某个蓝牙mesh网络节点需要发出网络控制指令,而这个指令是语音形式的,那么低时延就显得非常重要。命令从节点到云,经过识别后返回网络,这个过程越快,用户体验越好。
  在云这一侧,很多的大公司在做,做成平台,做成各种大数据(你的数据,互联网公司的核心资产...),然后做成基于数字的其他各种应用。
  这里,我们将讨论一下物联网端侧的无线技术。宏观上看,端这一侧,就相当于毛细血管。有两层意思,一是,他是物联网的基础,没有端,没有数据,物联网也就没有基础。二是,数量庞大。
  首先,我们看看不同的无线协议对应的应用场景,这是基本区分,标志着协议面世的时候所对应的主要场景。下图是一个大概的概念图,可以直观感受一下各方的区别。
  其次,我们看看比较详细的特性对比。
  功耗:在功耗表现方面BLE是最好的,市场上最好的指标是:RTC休眠(不是shutdown,很多时候会有意或无意的去混淆这个)的时候1~2uA,这个值已经基本上是由PMU,pad等半导体的物理特性决定了的,一般来说很难再小了。Active时候的峰值基本在十毫安左右;而500ms广播的平均电流在几十uA。WiFi基本上是数量级的高于这个数值,这个也是比较基本的判断。NB,Lora,Sigfox的功耗基本介于这两者之间。低功耗是BLE的标志性特征。
  速率:BLE是2Mbps,可以做透传,做BLE的profile应用,音频等。WiFi目前用在物联网的基本都是802.11b(物联网的802.11ah协议基本没有应用),所以最高速率在10Mbps左右,WiFi是为数据而生的协议,目前用在控制方面的应用,传输能力比较鸡肋。其他的Zigbee,NB,Lora,Sigfox都在250Kbps左右,这类协议基本只能做极小数据的透传,不能像BLE一样还能做一些应用。
  传输距离:BLE5具备长距离特性,室内50米左右,相比WiFi在高功率发射的情况下表现还要好。Zigbee同BT4.2之前的水平差不多,应该在室内10几米。NB,Lora,Sigfox属于广域的协议,传输距离都在1000米以上。
  组网能力:BLE的Mesh组网理论上65000,实际上目前通常应用到几百个节点(业界也有一万个灯具节点的记录)。Mesh组网的特点是网络节点平等,网络内部的采集和控制可以网内消化,而需要上云端的数据可以通过网关(比如智能音箱)或手机传输。WiFi的组网是星型的,由路由器周围带十几或几十个节点,对大规模组网来说并不友好,这也是业界通常的看法。Zigbee本来就是做工业互联的,开始便具备组网能力,它的弱点在于需要唯一网关上网,所有网络规模大不了,而且还需要配备专门的路由器。其他NB,Lora,Sigfox等都是星型的基站结构,或大或小,看基站的能力。
  成本:成本难以直接比较,同一种协议的不同芯片规格,成本相差也比较大。BLE的成本相比其他任何一种协议,如果在相同的高中低档芯片平行比较的话,是最小的,跟WiFi也是倍数关系。从市面上总体的感觉,也能得出这样的结论。
  市场规模:目前单单BLE的市场规模,不包括音频的话,也有20多亿片每年,而且BLE这块的复合增长率保持在20%以上。是个百亿级的市场。WiFi我这里没有数据,单仅仅从11b的角度来看,比BLE小很多。Zigbee全球市场目前应该在3-4亿片每年(一说总量数亿片)。NB目前每年在几千万片,而Lora,sigfox目前主要应用在国外,不掌握相关数据。
  
  各自的问题:
  WiFi的问题在于功耗比较大,成本也较高,组网能力不足。Zigbee的问题在于成本也比较高,组网的规模不能太大会阻塞,而且没有互联网入口。NB的问题在于功耗并没有宣传的好,成本也高(芯片高,运行商还收费),传输数据量太小。Lora/Sigfox的问题在于目前没有合法的身份,虽然免去了运行商的成本,但需要自己建基站。
  目前看来,BLE在平衡功耗,速率,成本,组网能方面是做的最好的,目前的发展趋势看来,将是短距物联网连接的主流方案。根据蓝牙组织的报告,低功耗蓝牙的全球市场规模从2018年的13.2亿片左右,将增长到2023年的30.8亿片左右,以接近年平均18.5%的增长率持续增长。

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