適用于未來物聯(lián)網(wǎng)的無線技術(shù)介紹

本文討論了在小型設(shè)備（如各種傳感器）連接到廣域Internet網(wǎng)絡(luò)上的服務(wù)的系統(tǒng)中“最后100米連接”的主題。涵蓋的主題是“最后100米連接”愿景的要求以及適用于未來物聯(lián)網(wǎng)（IoT）用例的無線技術(shù)。還討論了為什么connectBlue將“最后100米連接”設(shè)想為物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的重要因素以及connectBlue關(guān)于物聯(lián)網(wǎng)一般影響的觀點(diǎn)的背景。

背景

物聯(lián)網(wǎng)是一個(gè)熱門話題，其中許多重要的連接參與者預(yù)測(cè)未來十年內(nèi)的大幅增長(zhǎng)。

圖1：物聯(lián)網(wǎng)中的設(shè)備分布。

圖1顯示了愛立信和思科等公司未來連接設(shè)備的預(yù)測(cè)。該圖顯示了個(gè)人設(shè)備的增長(zhǎng)，如手機(jī)，平板電腦，筆記本電腦，游戲機(jī)等;然而，這種增長(zhǎng)受到世界人口的限制。在家庭自動(dòng)化，智能能源，老年人家庭護(hù)理，交通運(yùn)輸，資產(chǎn)跟蹤等領(lǐng)域，所有其他類型的連接小型設(shè)備預(yù)計(jì)增長(zhǎng)最快。

這種增長(zhǎng)已經(jīng)在進(jìn)行中，但是大多數(shù)具有互聯(lián)網(wǎng)連接設(shè)備的應(yīng)用程序現(xiàn)在都是垂直的，封閉的應(yīng)用程序，通常被稱為“孤島”。

圖2：作為垂直“筒倉(cāng)”的應(yīng)用程序。

當(dāng)來自孤島的數(shù)據(jù)組合在一起以創(chuàng)建完整的新類型的應(yīng)用程序時(shí)，將發(fā)生物聯(lián)網(wǎng)的真正影響。只有來自所有小型設(shè)備的數(shù)據(jù)在互聯(lián)網(wǎng)上可用，才能實(shí)現(xiàn)這種發(fā)展。來自小型設(shè)備的數(shù)據(jù)與“大數(shù)據(jù)”領(lǐng)域中出現(xiàn)的新知識(shí)相結(jié)合，將為許多新類型的應(yīng)用程序創(chuàng)建框架。這一進(jìn)展將推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展。

問題是當(dāng)物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中存在許多不同的無線技術(shù)時(shí)如何注入這一進(jìn)步。

圖3：物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的無線技術(shù)。

圖3列出了主要的短程國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，但還有許多其他標(biāo)準(zhǔn)（例如，計(jì)量中的特定領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)，如無線M-Bus和許多其他標(biāo)準(zhǔn)）。

關(guān)注“最后100米”

圖4：“最后100米”。

今天，“最后100米”中使用的設(shè)備通常沒有連接。廣域網(wǎng)在更大程度上通過智能電話，家用路由器（例如ADSL路由器）和GSM/3G/4G路由器連接。

圖5：市場(chǎng)規(guī)模和技術(shù)。

“最后100米”提供了90％以上的潛力，但如何實(shí)現(xiàn)連通視野極為多樣化。許多不同的技術(shù)在這個(gè)領(lǐng)域競(jìng)爭(zhēng)，包括國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，特定領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)（在一個(gè)特定的垂直領(lǐng)域中使用）和許多專有技術(shù)。對(duì)“最后100米”技術(shù)的要求

圖6：“最后100米”架構(gòu)。

需要具有網(wǎng)關(guān)的體系結(jié)構(gòu)，該網(wǎng)關(guān)用作廣域網(wǎng)（Internet）和短程網(wǎng)絡(luò)之間的接口。

圖7：固定和移動(dòng)用例。

對(duì)于物聯(lián)網(wǎng)，所選短程技術(shù)的一項(xiàng)必要功能是支持智能手機(jī)或其他移動(dòng)設(shè)備可用作臨時(shí)網(wǎng)關(guān)的移動(dòng)用例。還有一些應(yīng)用，其中相同的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備（傳感器）用于移動(dòng)和固定用例（見圖7）。

為物聯(lián)網(wǎng)使用案例選擇合適的短程無線技術(shù)時(shí)的一些重要驅(qū)動(dòng)因素如下：

無線電技術(shù)的成本。由于許多設(shè)備（傳感器）都是小型低成本設(shè)備，因此無線電設(shè)備不得為物料清單增加太多額外成本。這也意味著無線電和設(shè)備應(yīng)用在許多情況下需要共享相同的計(jì)算引擎（微控制器）。

功耗。許多使用案例需要使用電池或某種能量收集技術(shù)作為電源。

易于使用。將設(shè)備關(guān)聯(lián)到網(wǎng)絡(luò)和Internet服務(wù)必須很容易。

安全性。無線技術(shù)必須充分支持安全性（身份驗(yàn)證和加密），有時(shí)需要端到安全性（從傳感器到Web服務(wù)）。

可用的生態(tài)系統(tǒng)。連接智能手機(jī)，平板電腦，PC，家庭網(wǎng)關(guān)等的可能性很重要。這一要求也推動(dòng)了產(chǎn)量并對(duì)成本產(chǎn)生了重要影響（典型的例子是經(jīng)典藍(lán)牙，其中大量的手機(jī)和手機(jī)配件降低了成本）。

范圍。

一個(gè)非域的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，需要能夠覆蓋足夠的范圍或具有擴(kuò)展覆蓋范圍（中繼器，路由器等）而不會(huì)對(duì)系統(tǒng)成本產(chǎn)生太大影響的能力。

非域的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)-具體。特定于域的標(biāo)準(zhǔn)仍將被廣泛使用，但希望找到并選擇適合多種垂直行業(yè)的基本無線技術(shù)。

應(yīng)該選擇哪種無線技術(shù)？

圖8：具有功耗，距離和數(shù)據(jù)速率的短程技術(shù)。

圖8顯示了支持上面列出的驅(qū)動(dòng)程序和要求的主要部分的短程技術(shù)的圖形表示。

此圖表主要顯示移動(dòng)設(shè)備中可用的技術(shù)，如智能手機(jī)，筆記本電腦等。僅在移動(dòng)設(shè)備中顯示無線技術(shù)的原因是上述對(duì)可用生態(tài)系統(tǒng)的要求。該規(guī)則的一個(gè)例外是802.15.4，它既滿足國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的要求，又廣泛用于早期物聯(lián)網(wǎng)用例，例如樓宇自動(dòng)化和智能能源。

圖示的范圍是點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的，并且在很大程度上取決于各個(gè)設(shè)備的無線電設(shè)計(jì)，因此僅被視為指示。相同的概念適用于功耗，因?yàn)閷?shí)際功耗取決于用例。此圖顯示了不同技術(shù)對(duì)低功耗應(yīng)用的支持程度。

由于本次討論的重點(diǎn)是“最后100米”，我們將更多地了解位于紅線左側(cè)的無線技術(shù)。

圖9：技術(shù)和垂直。圖9顯示了根據(jù)connectBlue，不同無線技術(shù)如何適應(yīng)特定垂直行程的表格。除非是非常特殊的用例或垂直用途，否則可以排除紅外線和NFC。 connectBlue認(rèn)為，基于802.15.4的技術(shù)將成為一種利基技術(shù)，特別是在已經(jīng)建立的領(lǐng)域，如家庭和樓宇自動(dòng)化以及智能能源（稍后在結(jié)論部分中詳見此內(nèi)容）。

從前面確定的驅(qū)動(dòng)因素（要求）中看到的三種選定技術(shù)的比較如下所示：

圖10：無線技術(shù)的比較及其在物聯(lián)網(wǎng)。

可以從圖10表中得出的結(jié)論包括以下內(nèi)容：

所有這三種技術(shù)都具有內(nèi)置的鏈路層身份驗(yàn)證和加密，有時(shí)需要通過端到端的安全性來完成傳感器到Web應(yīng)用程序。

一些IoT用例可能完全在企業(yè)防火墻后面（例如，IoT Internet Service在本地服務(wù)器上運(yùn)行的工廠內(nèi)的用例）。還有物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)在廣域網(wǎng)上運(yùn)行，但通過使用VPN隧道或類似的安全機(jī)制充當(dāng)本地網(wǎng)絡(luò)。

正確使用藍(lán)牙低功耗可能比802.15.4（開銷減少）。

在生態(tài)系統(tǒng)的重要移動(dòng)設(shè)備（智能手機(jī)，平板電腦，筆記本電腦等）中缺乏對(duì)802.15.4的本機(jī)支持是一個(gè)問題，特別是對(duì)于移動(dòng)或臨時(shí)移動(dòng)使用案例。

帶有手機(jī)，平板電腦，筆記本電腦和手機(jī)配件的生態(tài)系統(tǒng)將降低藍(lán)牙低功耗的成本。

802.15.4在其范圍內(nèi)具有主要優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樵S多基于802.15.4的技術(shù)（例如ZigBee）支持網(wǎng)格，通過使用路由器可以擴(kuò)展覆蓋范圍。

藍(lán)牙低功耗非?？煽浚С肿赃m應(yīng)跳頻（AFH）和繼承自經(jīng)典藍(lán)牙的其他功能。

WLAN，通常也稱為Wi-Fi，可用于具有的設(shè)備對(duì)低功耗的要求較少，與其他技術(shù)相結(jié)合的無線主干（稍后將詳細(xì)介紹）。

connectBlue的結(jié)論是藍(lán)牙低功耗具有很高的潛力，成為一種重要的技術(shù)。 “最后100米”的低功耗，低成本，小型設(shè)備。但是，仍然會(huì)有使用基于802.15.4的技術(shù)的用例，特別是在已經(jīng)建立的技術(shù)領(lǐng)域。盡管已經(jīng)在智能能源，家庭和樓宇自動(dòng)化應(yīng)用中安裝了基礎(chǔ)，但ConnectBlue預(yù)計(jì)802.15.4也將面臨這些應(yīng)用中藍(lán)牙低功耗的競(jìng)爭(zhēng)。 WLAN將用于成本低，功耗低的重要設(shè)備以及與其他無線技術(shù)相結(jié)合的無線骨干網(wǎng)。應(yīng)該選擇哪種無線技術(shù)？

圖11：短距離傳感器/設(shè)備的物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)。

連接小型低功耗短距離設(shè)備時(shí)需要使用網(wǎng)關(guān)。有時(shí)網(wǎng)關(guān)是連接到骨干網(wǎng)絡(luò)的固定設(shè)備，有時(shí)它們嵌入在其他設(shè)備中，例如在因特網(wǎng)路由器（ADSL或GSM/3G/4G路由器或類似物）中。

移動(dòng)設(shè)備也可以充當(dāng)網(wǎng)關(guān)，有幾種用例可以使用。例如，一個(gè)用例是當(dāng)傳感器或設(shè)備與電話一起攜帶時(shí)，例如身體佩戴的傳感器。另一種可能性是當(dāng)智能手機(jī)接近傳感器/設(shè)備時(shí)（例如，使用電話來使用因特網(wǎng)服務(wù)來驗(yàn)證訪問的訪問控制系統(tǒng)），智能手機(jī)成為臨時(shí)網(wǎng)關(guān)。

圖12：傳統(tǒng)藍(lán)牙低能耗用例。

圖12顯示了傳統(tǒng)藍(lán)牙低能耗特性和服務(wù)概念暴露給傳感器/設(shè)備的用例。該用例通常需要代表網(wǎng)關(guān)知道傳感器所暴露的服務(wù)。通常，網(wǎng)關(guān)將該知識(shí)公開為因特網(wǎng)可訪問的API，或者將從傳感器讀取的數(shù)據(jù)推送到基于因特網(wǎng)的服務(wù)。

圖13：IPv6“全能”和物聯(lián)網(wǎng)。

圖13顯示了藍(lán)牙低功耗和802.15.4用作基于IPv6的“端到端通信”的傳輸。在該用例中，傳感器/設(shè)備中的基于IP的應(yīng)用程序透明地連接到因特網(wǎng)服務(wù)。這種情況通常使用諸如6LoWPAN和CoAP的壓縮技術(shù)來實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙低功耗或802.15.4網(wǎng)絡(luò)的有限資源的有效使用。該用例還可以實(shí)現(xiàn)“端到端”安全性，盡管這將需要傳感器/設(shè)備中的更多計(jì)算能力。

圖14：使用WLAN“迷你網(wǎng)關(guān)”擴(kuò)展覆蓋范圍和系統(tǒng)大小。

圖14顯示了使用WLAN作為連接傳感器/設(shè)備島的中間主干。這利用了已經(jīng)可用的短距離無線電芯片的多無線電能力，例如支持同時(shí)使用藍(lán)牙低能量和WLAN的芯片組，以創(chuàng)建微型網(wǎng)關(guān)。網(wǎng)關(guān)通過藍(lán)牙低功耗下行和WLAN上游進(jìn)行通信。 WLAN上游鏈路連接到進(jìn)一步向上連接到Internet服務(wù)的WLAN路由器。此方案可用于擴(kuò)展范圍或系統(tǒng)大小。

圖15：互連多種技術(shù)。

圖15顯示了使用網(wǎng)關(guān)創(chuàng)建具有互連多種技術(shù)的系統(tǒng)。網(wǎng)關(guān)用于執(zhí)行對(duì)公共骨干（例如IPv6骨干網(wǎng)）的必要轉(zhuǎn)換。如圖13所示，當(dāng)通過IPv6“全程”互連技術(shù)時(shí)，這種使用特別有趣且易于使用。