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備（如各種傳感器）連接到廣域Internet網(wǎng)絡上的服務的系統(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)一般影響的觀點的背景。

背景

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

圖1：物聯(lián)網(wǎng)中的設備分布。

圖1顯示了愛立信和思科等公司未來連接設備的預測。該圖顯示了個人設備的增長，如手機，平板電腦，筆記本電腦，游戲機等;然而，這種增長受到世界人口的限制。在家庭自動化，智能能源，老年人家庭護理，交通運輸，資產(chǎn)跟蹤等領(lǐng)域，所有其他類型的連接小型設備預計增長最快。

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

圖2：作為垂直“筒倉”的應用程序。

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

問題是當物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中存在許多不同的無線技術(shù)時如何注入這一進步。

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際標準，但還有許多其他標準（例如，計量中的特定領(lǐng)域標準，如無線M-Bus和許多其他標準）。

關(guān)注“最后100米”

圖4：“最后100米”。

今天，“最后100米”中使用的設備通常沒有連接。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：市場規(guī)模和技術(shù)。

“最后100米”提供了90％以上的潛力，但如何實現(xiàn)連通視野極為多樣化。許多不同的技術(shù)在這個領(lǐng)域競爭，包括國際標準，特定領(lǐng)域標準（在一個特定的垂直領(lǐng)域中使用）和許多專有技術(shù)。對“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)絡之間的接口。

圖7：固定和移動用例。

對于物聯(lián)網(wǎng)，所選短程技術(shù)的一項必要功能是支持智能手機或其他移動設備可用作臨時網(wǎng)關(guān)的移動用例。還有一些應用，其中相同的物聯(lián)網(wǎng)設備（傳感器）用于移動和固定用例（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)時的一些重要驅(qū)動因素如下：

無線電技術(shù)的成本。由于許多設備（傳感器）都是小型低成本設備，因此無線電設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備應用在許多情況下需要共享相同的計算引擎（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。將設備關(guān)聯(lián)到網(wǎng)絡和Internet服務必須很容易。

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

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

范圍。

一個非域的國際標準，需要能夠覆蓋足夠的范圍或具有擴展覆蓋范圍（中繼器，路由器等）而不會對系統(tǒng)成本產(chǎn)生太大影響的能力。

非域的國際標準-具體。特定于域的標準仍將被廣泛使用，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設備中可用的技術(shù)，如智能手機，筆記本電腦等。僅在移動設備中顯示無線技術(shù)的原因是上述對可用生態(tài)系統(tǒng)的要求。該規(guī)則的一個例外是802.15.4，它既滿足國際標準的要求，又廣泛用于早期物聯(lián)網(wǎng)用例，例如樓宇自動化和智能能源。

圖示的范圍是點對點的，并且在很大程度上取決于各個設備的無線電設計，因此僅被視為指示。相同的概念適用于功耗，因為實際功耗取決于用例。此圖顯示了不同技術(shù)對低功耗應用的支持程度。

由于本次討論的重點是“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)置的鏈路層身份驗證和加密，有時需要通過端到端的安全性來完成傳感器到Web應用程序。

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

正確使用藍牙低功耗可能比802.15.4（開銷減少）。

在生態(tài)系統(tǒng)的重要移動設備（智能手機，平板電腦，筆記本電腦等）中缺乏對802.15.4的本機支持是一個問題，特別是對于移動或臨時移動使用案例。

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

802.15.4在其范圍內(nèi)具有主要優(yōu)勢，因為許多基于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展覆蓋范圍。

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

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

connectBlue的結(jié)論是藍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，小型設備。但是，仍然會有使用基于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，家庭和樓宇自動化應用中安裝了基礎，但ConnectBlue預計802.15.4也將面臨這些應用中藍牙低功耗的競爭。 WLAN將用于成本低，功耗低的重要設備以及與其他無線技術(shù)相結(jié)合的無線骨干網(wǎng)。應該選擇哪種無線技術(shù)？

圖11：短距離傳感器/設備的物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)。

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

移動設備也可以充當網(wǎng)關(guān)，有幾種用例可以使用。例如，一個用例是當傳感器或設備與電話一起攜帶時，例如身體佩戴的傳感器。另一種可能性是當智能手機接近傳感器/設備時（例如，使用電話來使用因特網(wǎng)服務來驗證訪問的訪問控制系統(tǒng)），智能手機成為臨時網(wǎng)關(guān)。

圖12：傳統(tǒng)藍牙低能耗用例。

圖12顯示了傳統(tǒng)藍牙低能耗特性和服務概念暴露給傳感器/設備的用例。該用例通常需要代表網(wǎng)關(guān)知道傳感器所暴露的服務。通常，網(wǎng)關(guān)將該知識公開為因特網(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。

圖13：IPv6“全能”和物聯(lián)網(wǎng)。

圖13顯示了藍牙低功耗和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/設備中的基于IP的應用程序透明地連接到因特網(wǎng)服務。這種情況通常使用諸如6LoWPAN和CoAP的壓縮技術(shù)來實現(xiàn)藍牙低功耗或802.15.4網(wǎng)絡的有限資源的有效使用。該用例還可以實現(xiàn)“端到端”安全性，盡管這將需要傳感器/設備中的更多計算能力。

圖14：使用WLAN“迷你網(wǎng)關(guān)”擴展覆蓋范圍和系統(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，例如支持同時使用藍牙低能量和WLAN的芯片組，以創(chuàng)建微型網(wǎng)關(guān)。網(wǎng)關(guān)通過藍牙低功耗下行和WLAN上游進行通信。 WLAN上游鏈路連接到進一步向上連接到Internet服務的WLAN路由器。此方案可用于擴展范圍或系統(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)行對公共骨干（例如IPv6骨干網(wǎng)）的必要轉(zhuǎn)換。如圖13所示，當通過IPv6“全程”互連技術(shù)時，這種使用特別有趣且易于使用。