低功耗无线通信技术应用及展望

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近年来,无线技术迅速发展,尤其在消费类场景里,各种应用层出不穷,本文主要探讨主流低功耗无线技术的应用和展望。

从通信距离和组网方式来说,分为局域网和广域网,从应用场景来说,又分为高速率的多媒体音视频,中等速率的无线音频流媒体,低速率的控制传感数据。这些标准各有所长,在各自的领域里扮演着重要的角色,共同构建了一个丰富而动人的现代信息世界。

随着智能设备的数量迅速增加,越来越多的设备需要具有联网能力,据预测,到2020年,将有超过300亿的设备具有和其他设备的无线通信能力。而这其中,数目比例最大的,就是低功耗无线局域网设备。

以智能配件为例,越来越多的设备支持蓝牙协议。蓝牙协议,分为经典蓝牙和低功耗蓝牙,经典蓝牙适用于音频流媒体传输,诸如无线耳机麦克风等,低功耗蓝牙适用于遥控器,手环,灯,家电等需要和智能手机直接相连并且接收控制的设备。据预测,2019年,蓝牙设备数目将超过44亿台,这其中,低功耗蓝牙占据了绝大多数。

从组网方式来说,蓝牙采用的是星型组网,既手机或电脑作为中心,其他设备通过蓝牙协议连接至中心(图1)。这种组网方式的优点是简单易用,而且组网方式清晰直观,用户可以通过很简单的连接逻辑来进行设备的配对和使用。

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图1. 蓝牙星型网络连接

目前低功耗蓝牙的最新版本规范是BLE 4.2和BLE 5.0。在BLE 4.2规范中,增强了安全机制,对于涉及电子支付的应用和安防应用,这是非常有必要的。BLE 5.0规范中,增加了2Mbps模式,这对于数据传输速率是一个不小的提升,除此之外,还增加了一些新的特性。恩智浦作为一家领先的半导体公司,在低功耗蓝牙领域,最新的产品可以支持BLE4.2 规范和BLE 5.0,广泛应用于消费类,工业类,医疗类等诸多领域。

而随着智能家居的发展,这种星型组网方式也暴露出了局限性,因而,需要一种全新的组网方式,既Mesh网络(网格网络)。在Mesh网络中,节点之间可以直接进行数据的传输,这样有效地提高了工作效率,并且在复杂室内环境中有了更好的表现。

目前来说,蓝牙组织最新的Mesh协议(以下简称BLE Mesh)是一种基于网络泛洪的协议,这主要是因为这种泛洪的模式简单而易于实现。但是,这种实现方式也是利弊参半的,因为是网络泛洪,不利于节点的低功耗优化,也不利于节点数目大规模提升。

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图2. 蓝牙Mesh网络连接拓扑图(图片来源/www.bluetooth.com,Mesh Profile Specification 1.0)

在低功耗无线Mesh网络中,还有一个标准,叫做Zigbee。Zigbee是天然的Mesh网络,和BLE Mesh网络不同之处在于,Zigbee是基于路由协议的,这一点,比BLE Mesh更胜一筹。我们看到,在目前诸多物联网应用中,Zigbee已经大放异彩,比如Amazon最新的产品echo plus,已经全面支持Zigbee,可以直接用来控制其他Zigbee设备如照明灯。

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图3. Amazon echo plus. (图片来源:www.amazon.com )

Zigbee目前最新的版本是zigbee 3.0,这个版本,将互操作性和兼容性提升到了一个新的高度,为智能家居等应用做好了充分的准备。

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图4. Zigbee协议框架图(图片来源:www.zigbee.org/zigbee-for-developers/zigbee )

和Zigbee类似的还有一个标准,叫做Thread。可以看到,Thread和Zigbee采用的相同的物理层即IEEE802.15.4。Thread的不同点在于其基于IPv6路由协议,每一个节点具有一个IPv6地址,这样做的优势在于节点可以方便地被云端所寻址。

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图5. Thread协议框架图

对于Zigbee和Thread协议,恩智浦都提供了对应的单芯片解决方案,甚至还提供了一种多模解决方案,可以在同一芯片上同时运行Zigbee/Thread以及低功耗蓝牙协议。这种双模的设计,为产品设计提供了更加灵活的方式。例如对于门锁应用,客户可以通过手机蓝牙连接门锁进行开锁操作,离开家之后,门锁可以通过Zigbee网络接入家庭网关从而接入云服务,实现远程门铃,安防等诸多应用。

除了上述的低功耗无线局域网协议外,还有若干低功耗广域网技术,比如NB-IoT和LoRa。

NB-IoT主要利用运营商的基站,可以提供低功耗低速率的连接,在智慧城市中有大量的应用场景,比如路灯,水电表集抄,车辆管理等等。目前在国内运营商的推动下,已经有城市进行了规模化的商业运行,并取得了不错的成效。

LoRa技术,需要用户自己建设基站,但是由于采用了先进的信道编码技术,LoRa节点的接收灵敏度可以到达-142dBm,可以实现超低功耗下的长距离通信,最长通信距离可以达到30公里。对于LoRa应用,恩智浦可以提供低功耗的MCU来运行其软件协议栈。

万物互联,安全为先。

当物联网中的节点数目达到一个惊人的量级的时候,安全问题必将成为一个关键环节。要解决安全问题,必须从多方面综合考虑,比如添加安全认证芯片,引入防拆解技术,增加安全启动,进行通信加密等。

展望前景

未来的世界一定是一个充分互联的,并且人类可以通过各式各样的设备无感接入。传感节点需要低功耗,Mesh网络,安全,IP可寻址,并且具有一定的节点运算能力来实现边缘计算,云端则需要基于人工智能来实现数据建模与分析,并最终进行决策和执行。

就低功耗无线网络而言,应用场景的复杂性,决定了没有哪一种网络可以适用于所有场景,在未来很长一段之间之内,本文提到的各个标准将会共存。

 

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