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：

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、成本和技術成熟度上各不相同。

考慮基于蜂窩技術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大，還具備低成本和低功耗的特點。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)百萬美元的資本設備周圍安裝的一系列傳感器可以傳達設備效率或維護需求的寶貴信息。

然而，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)設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施管理系統(tǒng)或位于數(shù)千公里外的分析服務器呢？

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，不同的技術提供不同的傳輸速率、功耗需求，并且各自最適合不同的應用場景。

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)應用，而“物聯(lián)網(wǎng)（IoT）”通常應用于消費者領域，但這兩個術語經(jīng)常互換使用。

LoRa

LoRa是一種長距離低功耗、低速率的雙向通信標準。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備。

LoRa工作在ISM（工業(yè)、科學、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標準由LoRa聯(lián)盟管理，Semtech是其創(chuàng)始成員之一。LoRa標準得到了國際電信聯(lián)盟（ITU）的認可，參考文獻為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。當在2.4 GHz頻段上運行時，支持的帶寬可達250 kbits/秒，而在ISM頻段時可達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)絡擴展，在網(wǎng)狀網(wǎng)絡中，每個Zigbee節(jié)點可以與任何范圍內(nèi)的其他節(jié)點通信。

這意味著，如果一個節(jié)點的信號無法直接到達中心點，它可以將消息傳遞給范圍內(nèi)的相鄰節(jié)點。如果該節(jié)點仍無法到達中心點，它會繼續(xù)將消息傳遞給另一個節(jié)點，直到原始消息到達目的地。這個中心點可能與互聯(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)點消耗的電量非常少。

Zigbee標準由連接標準聯(lián)盟（CSA）制定。與之前描述的LoRa聯(lián)盟類似，遵守CSA標準確保任何新制造商的設備可以與符合該標準的現(xiàn)有網(wǎng)絡互操作。

LoRa和Zigbee的對比

LoRaWAN?適用于長距離通信，支持成千上萬的設備，非常適合智能農(nóng)業(yè)和資產(chǎn)追蹤等應用。Zigbee則設計用于低功耗應用，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)絡可能導致信號干擾

Zigbee

但是……通常只適合室內(nèi)環(huán)境

LoRa和Zigbee的應用場景

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

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)控和控制的遠程設備。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，能夠在難以到達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?！皩τ诘湫偷腘B-IoT應用來說，使用其他蜂窩空中接口成本過高，因為NB-IoT應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，如果NB-IoT節(jié)點移出一個基站的覆蓋范圍，它可以像智能手機一樣被下一個基站接管，保持連接不中斷。

NB-IoT的應用場景

這種極低功耗技術可以使設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10公里。而且一個基站可以支持數(shù)萬個設備。應用場景包括：

5G Red_Cap

也許5G對消費者的好處不大，除了更高的成本和擁有最新蜂窩技術的炫耀。5G的真正亮點在于它作為物聯(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，其成員包括世界領先的電子通信公司，共同定義和開發(fā)電信標準，包括5G。

5G RedCap的延遲與現(xiàn)有4G LTE技術相當，遠低于大多數(shù)低功耗廣域網(wǎng)技術（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)通信的應用，例如工業(yè)自動化和智能電網(wǎng)應用。

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，雖然遠低于全5G的千兆速度，但相比NB-IoT或Cat M1更強大，并且延遲顯著低于4G網(wǎng)絡，適用于依賴接近實時數(shù)據(jù)通信的應用?！?/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，而無需承擔完全適應5G的所有成本。

Red_Cap的應用場景包括：

挑戰(zhàn)與機遇

NB-IoT 和 Redcap 等蜂窩技術是極具吸引力的選擇。在全球范圍內(nèi)，LTE 的定義相當明確，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營的國家/地區(qū)的標準。

可能大家會注意到，我們在此討論的四種技術的用例表現(xiàn)出很大的重疊性。此外，雖然人們談論 6G，但重要的是要意識到 5G 作為一項標準仍在不斷發(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)控的站點和設備現(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)設計人員應該通過稱為邊緣計算的過程在本地進行盡可能多的數(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。這些設備可以報告各種各樣的信息，這些信息在廣泛的消費、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、運輸和醫(yī)療保健等用例變得不可能。

Zigbee 和 LoRa 標準由成熟的國際組織控制。NB-IoT 主要基于成熟的標準 LTE。

Redcap 基于不斷發(fā)展的標準 5G。與普遍看法相反，5G 對消費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。選擇適應這一令人興奮的新選擇的設計師需要做好功課，因為成為先驅(qū)者可能會有風險。

本文作者：Gary Elinoff 資料來源：Electropages

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