NB-IoT、LoRa、eMTC、WiFi、藍牙等協(xié)議，誰能稱霸物聯(lián)網(wǎng)時代？

導(dǎo)讀：在“萬物互聯(lián)”時代，首先要解決“物”與“網(wǎng)”的連接問題，物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng)的核心組成部分是連接和通信，使得遠程和分散物體(設(shè)備，傳感器節(jié)點，網(wǎng)關(guān)單元，云服務(wù)器)之間的連接和通信成為可能。

根據(jù)IDC市場研究機構(gòu)報告顯示，到2020年全球?qū)⒂?60億件設(shè)備接入物聯(lián)網(wǎng)，全球物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)規(guī)模將達到1.7萬億美元。

物聯(lián)網(wǎng)悄然拉開了“萬物互聯(lián)”的帷幕。在“萬物互聯(lián)”時代，首先要解決“物”與“網(wǎng)”的連接問題，物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng)的核心組成部分是連接和通信，使得遠程和分散物體(設(shè)備，傳感器節(jié)點，網(wǎng)關(guān)單元，云服務(wù)器)之間的連接和通信成為可能，所以“連接技術(shù)”決定了物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的走向。

物聯(lián)網(wǎng)無線接入技術(shù)種類眾多，包括Zigbee、WiFi、藍牙等短距離通信技術(shù)和LoRa、SigFox、eMTC、NB-IoT等長距無線通信技術(shù)。其中，受業(yè)界青睞的低功耗廣域技術(shù)LPWA既包括廣域非授權(quán)頻譜技術(shù)LoRa和SigFox，也包括授權(quán)頻譜的eMTC和NB-IoT等。

NB-IoT

NB-IoT是指窄帶物聯(lián)網(wǎng)(Narrow Band Internet of Things)技術(shù)，是一種低功耗廣域(LPWA)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)標準，基于蜂窩技術(shù)，用于連接使用無線蜂窩網(wǎng)絡(luò)的各種智能傳感器和設(shè)備，聚焦于低功耗廣覆蓋(LPWA)物聯(lián)網(wǎng)(IoT)市場，是一種可在全球范圍內(nèi)廣泛應(yīng)用的新興技術(shù)。

NB-IoT技術(shù)可以理解為是LTE技術(shù)的“簡化版”，NB-IoT網(wǎng)絡(luò)是基于現(xiàn)有LTE網(wǎng)絡(luò)進行改造得來的。

LTE網(wǎng)絡(luò)為“人”服務(wù)，為手機服務(wù)，為消費互聯(lián)網(wǎng)服務(wù);而NB-IoT網(wǎng)絡(luò)為“物”服務(wù)，為物聯(lián)網(wǎng)終端服務(wù)，為產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)(物聯(lián)網(wǎng))服務(wù)。

NB-IoT使用License頻段，可直接部署于GSM網(wǎng)絡(luò)、UMTS網(wǎng)絡(luò)或LTE網(wǎng)絡(luò)，與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)共存，以降低部署成本、實現(xiàn)平滑升級。

NB-IoT的特點

低功耗

NB-IoT聚焦小數(shù)據(jù)量、小速率應(yīng)用，因此NB-IoT設(shè)備功耗可以做到非常小，設(shè)備續(xù)航時間可以從過去的幾個月大幅提升到幾年。

低成本

NB-IoT是基于LTE網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)，所以在現(xiàn)網(wǎng)LTE網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上進行改造，就可以很快組網(wǎng)，很快擴大覆蓋。目前各大運營商仍在大力推動LTE網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，也有利于NB-IoT的覆蓋改善。

強連接

在同一基站的情況下，NB-IoT可以比現(xiàn)有無線技術(shù)提供50-100倍的接入數(shù)。一個扇區(qū)能夠支持10萬個連接，支持低延時敏感度、超低的設(shè)備成本、低設(shè)備功耗和優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

廣覆蓋

NB-IoT室內(nèi)覆蓋能力強，比LTE提升20dB增益，相當(dāng)于提升了100倍覆蓋區(qū)域能力。不僅可以滿足農(nóng)村這樣的廣覆蓋需求，對于廠區(qū)、地下車庫、井蓋這類對深度覆蓋有要求的應(yīng)用同樣適用。

NB-IoT發(fā)展現(xiàn)狀

從市場數(shù)據(jù)來看，2017年華為海思推出Boudica120國內(nèi)第一顆NB-IoT芯片至今，累積出貨2000萬顆，而其他國內(nèi)NB-IoT芯片廠家總出貨量不超過1000萬顆。

從發(fā)展現(xiàn)狀來看，截至今年5月底，全球已有84張NB-IoT網(wǎng)絡(luò)商用(GSMA)，全球模組種類已超過100種，成為全球應(yīng)用最廣的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)之一。國內(nèi)NB-IoT用戶數(shù)已經(jīng)達到3000萬。同時，國內(nèi)的消費級物聯(lián)網(wǎng)硬件銷售額預(yù)計在2022年超過3000億美元，年復(fù)合增長率超過20%。

NB-IoT市場仍然格局未定，產(chǎn)業(yè)鏈上下游廠商都想抓住這個市場機會，分得NB-IoT市場一杯羹。

但NB-IoT依舊面臨著性能指標夸大、網(wǎng)絡(luò)覆蓋不佳、商業(yè)模式存在問題、心態(tài)浮躁等諸多問題和挑戰(zhàn)，是NB-IoT市場擴展受阻的主要原因。

為了進一步推動NB-IoT的發(fā)展進程，國內(nèi)運營商都在大力部署NB-IoT基站，2019年，我國預(yù)計將建成90萬個NB-IoT基站、到2020年將建成超過150萬個NB-IoT基站、到2025年NB-IoT基站規(guī)模將達到300萬。

此外，國外眾多運營商也紛紛支持NB-IoT，Vodafone、德國電信、軟銀等幾十家運營商均已經(jīng)部署了NB-IoT商用網(wǎng)絡(luò)，美國T-Mobile也已經(jīng)宣布商用了NB-IoT，全球運營商的創(chuàng)新先鋒AT&T和Verizon，也積極進行NB-IoT的商用試點。

對于NB-IoT的未來走向，可以預(yù)見NB-IoT還會與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)共存共生。當(dāng)產(chǎn)業(yè)走到萬物互聯(lián)的5G時代，NB-IoT也將迎來了新的發(fā)展機遇。

LoRa

LoRa的名字是遠距離無線電(Long Range Radio)，作為一種線性調(diào)頻擴頻的調(diào)制技術(shù)，最早由法國幾位年輕人創(chuàng)立的一家創(chuàng)業(yè)公司Cycleo推出，2012年Semtech收購了這家公司，并將這一調(diào)制技術(shù)封裝到芯片中，基于LoRa技術(shù)開發(fā)出一整套LoRa通信芯片解決方案，包括用于網(wǎng)關(guān)和終端上不同款的LoRa芯片，開啟了LoRa芯片產(chǎn)品化之路。

不過，僅僅一個基于LoRa調(diào)制技術(shù)的收發(fā)芯片還遠不足以撬動廣闊的物聯(lián)網(wǎng)市場，在此后的發(fā)展歷程中，由于多家廠商發(fā)起的LoRa聯(lián)盟，以及推出不斷迭代的LoRaWAN規(guī)范，催生出一個全球數(shù)百家廠商支持的廣域組網(wǎng)標準體系，從而形成廣泛的產(chǎn)業(yè)生態(tài)。

推動這一生態(tài)的相關(guān)技術(shù)標準、產(chǎn)品設(shè)計、應(yīng)用案例等都是多個廠商共同參與的過程，這些也是形成目前龐大產(chǎn)業(yè)生態(tài)更為關(guān)鍵的元素，而它們并不屬于Semtech 單個公司所有，比如LoRaWAN規(guī)范是一個全球多個廠商共同參與的開放標準，任何組織或個人都可以根據(jù)這一規(guī)范進行產(chǎn)品開發(fā)和網(wǎng)絡(luò)部署。

相較于大多數(shù)的網(wǎng)絡(luò)采用網(wǎng)狀拓樸，易于不斷擴張網(wǎng)絡(luò)規(guī)模，但缺點在于使用各種不相關(guān)的節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)消息，路由迂回，增加了系統(tǒng)復(fù)雜性和總功耗。LoRa采用星狀拓樸(TMD組網(wǎng)方式)，網(wǎng)關(guān)星狀連接終端節(jié)點，但終端節(jié)點并不綁定唯一網(wǎng)關(guān)，相反，終端節(jié)點的上行數(shù)據(jù)可發(fā)送給多個網(wǎng)關(guān)。理論上來說，用戶可以通過Mesh、點對點或者星形的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和架構(gòu)實現(xiàn)靈活組網(wǎng)。

LoRa網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架

LoRa主要在全球免費頻段運行(即非授權(quán)頻段)，包括433、868、915 MHz等。LoRa網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架由終端節(jié)點、網(wǎng)關(guān)、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器和應(yīng)用服務(wù)器四部分組成，應(yīng)用數(shù)據(jù)可雙向傳輸。

LoRa是創(chuàng)建長距離通訊連接的物理層或無線調(diào)制， 相較于傳統(tǒng)的FSK技術(shù)以及穩(wěn)定性和安全性不足的短距離射頻技術(shù)，LoRa基于CSS調(diào)制技術(shù)(Chirp Spread Spectrum)在保持低功耗的同時極大地增加了通訊范圍，且CSS技術(shù)數(shù)十年已經(jīng)廣受軍事和空間通訊所采用，具有傳輸距離遠、抗干擾性強等特點。

此外，LoRa技術(shù)不需要建設(shè)基站，一個網(wǎng)關(guān)便可控制較多設(shè)備，并且布網(wǎng)方式較為靈活，可大幅度降低建設(shè)成本。

LoRa因其功耗低，傳輸距離遠，組網(wǎng)靈活等諸多特性與物聯(lián)網(wǎng)碎片化、低成本、大連接的需求十分的契合，因此被廣泛部署在智慧社區(qū)、智能家居和樓宇、智能表計、智慧農(nóng)業(yè)、智能物流等多個垂直行業(yè)，前景廣闊。

LoRa的特點

傳輸距離：城鎮(zhèn)可達2-5 Km ， 郊區(qū)可達15 Km 。

工作頻率：ISM 頻段 包括433、868、915 MH等。

標準：IEEE 802.15.4g。

調(diào)制方式：基于擴頻技術(shù)，線性調(diào)制擴頻(CSS)的一個變種，具有前向糾錯(FEC)能力，semtech公司私有專利技術(shù)。

容量：一個LoRa網(wǎng)關(guān)可以連接上千上萬個LoRa節(jié)點。

電池壽命：長達10年。

安全：AES128加密。

傳輸速率：幾百到幾十Kbps，速率越低傳輸距離越長，這很像一個人挑東西，挑的多走不太遠，少了可以走遠。

LoRa發(fā)展現(xiàn)狀

大約從2014年起，國內(nèi)首批企業(yè)開始研發(fā)LoRa相關(guān)產(chǎn)品，至今經(jīng)過5年的時間，LoRa已經(jīng)從一個小范圍使用的小無線技術(shù)成長為物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域無人不曉的事實標準。

近年來，科技巨頭紛紛入局LoRa、加入LoRa聯(lián)盟，可以看出各企業(yè)都希望借助LoRa這個切入點來確立自身在物聯(lián)網(wǎng)和產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的地位。阿里和騰訊兩大互聯(lián)網(wǎng)巨頭將LoRa作為其物聯(lián)網(wǎng)布局的重要入口，主推的LinkWAN平臺和TTN平臺對于產(chǎn)業(yè)鏈上下游的帶動作用非常明顯。另外，鐵塔、聯(lián)通以及廣電等群體也開始針對LoRa產(chǎn)業(yè)進行布局，進一步促進其在各行業(yè)應(yīng)用的落地。

從目前的市場結(jié)構(gòu)看，國內(nèi)已有上千家企業(yè)參與到LoRa產(chǎn)業(yè)生態(tài)中，呈現(xiàn)出大中小型企業(yè)、傳統(tǒng)企業(yè)與互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)共同參與的格局。國內(nèi)提供給LoRa發(fā)展的產(chǎn)業(yè)大環(huán)境不斷向好，LoRa聯(lián)盟自身力量也在不斷壯大。

據(jù)資料了解，2018年國內(nèi)LoRa芯片出貨量達到數(shù)千萬片，其中，模組和表計廠商占據(jù)大部分采購份額，基站廠商采購量位居其次。除此之外，國內(nèi)還有大量分散的模組、終端廠商也會直接采購LoRa芯片，雖然都是小批量，但加起來規(guī)模還算可觀。

對于大部分模組、終端、系統(tǒng)和應(yīng)用廠商來說，它們對于各種技術(shù)是中立的，選擇何種技術(shù)路線大部分是一種純市場化行為。LoRa芯片是支持整個產(chǎn)業(yè)的重要底層元器件，但整個產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的形成還要靠多種力量共同努力，這種力量在國內(nèi)已經(jīng)形成。LoRa相關(guān)產(chǎn)品靈活性較強已成業(yè)界共識，不僅僅在于能夠在各種環(huán)境下自主部署網(wǎng)絡(luò)，還在于各類開發(fā)者能夠選擇多個平臺，快速得到開發(fā)支持。

近一年來，LoRa在智慧城市、智能園區(qū)、智慧建筑、智慧安防等垂直領(lǐng)域也有了大量落地的行業(yè)應(yīng)用。Semtech物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)總監(jiān)Vivek Mohan曾表示，目前全球大量的垂直行業(yè)中已形成300多個應(yīng)用場景。

LoRa技術(shù)是Semtech公司的專利，其LoRa芯片產(chǎn)品期初也是獨家供應(yīng)，但單一的LoRa產(chǎn)品必然會帶來產(chǎn)品價格、功能等方面的局限性。

2018年Semtech開始改變傳統(tǒng)的產(chǎn)品營銷模式，授權(quán)IP給一些公司做LoRa產(chǎn)品，形成了多供應(yīng)商的市場供應(yīng)局面，LoRa芯片供應(yīng)廠家通過走差異化路線，融合不同功能的芯片，滿足更多差異化應(yīng)用的需求，如LoRa+GPS獲取位置信息，LoRa+BLE與本地近場設(shè)備連接通信，LoRa+安全芯片增強設(shè)備的安全性等，來共同做大市場。

未來，或許會有更多的LoRa芯片供應(yīng)商，市場做大也符合Semtech公司的利益。

可以看到，不論從技術(shù)、供應(yīng)鏈體系、產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)還是生態(tài)建設(shè)，LoRa依然是一個市場化行為為主導(dǎo)的技術(shù)選項，大國之間政治經(jīng)濟博弈對于LoRa供求各方產(chǎn)生的影響很小。采用LoRa通信的物聯(lián)網(wǎng)項目中包含非常多的技術(shù)和元素，很多價值遠遠超過通信本身，未來發(fā)展中，業(yè)界應(yīng)該更多聚焦于應(yīng)用價值的創(chuàng)造，聚焦于市場化行為和商業(yè)模式，以求在物聯(lián)網(wǎng)時代贏得先機。

WiFi

WiFi大家都比較熟悉，俗稱無線寬帶網(wǎng)，以更快，更大容量的通信而聞名，可以使用2.4 GHz和5 GHz頻帶在50 m范圍內(nèi)進行傳輸，是一種允許電子設(shè)備連接到一個無線局域網(wǎng)WLAN的技術(shù)。

WiFi通過IEEE 802.11標準系列提供易于使用的短距離無線連接和跨廠商互操作性。伴隨著三大運營商大規(guī)模建設(shè)基于WiFi技術(shù)的無線城市，其物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用架構(gòu)已然形成。由于在現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施中普遍存在，其受歡迎程度不斷提高。

WiFi是無線局域網(wǎng)(WLAN)的一個標準，最早的無線局域網(wǎng)可以追溯到上個世紀70年代，基于ALOHA協(xié)議的UHF無線網(wǎng)絡(luò)連接了夏威夷島，是現(xiàn)在無線局域網(wǎng)的一個最初版本。隨后的1985年美國聯(lián)邦通信委員會制定了現(xiàn)在廣泛使用的免費WiFi頻段，和微波爐頻率相同。1991年NCR公司和AT&T公司發(fā)明了現(xiàn)在廣泛使用WiFi的標準的802.11的前身，用在收銀系統(tǒng)，名字為WaveLAN。澳大利亞的天文學(xué)家John O’sullivan和他的同事開發(fā)了WiFi技術(shù)的關(guān)鍵專利，起初使用在CSIRO (公共健康科學(xué)和工業(yè)研究組織)的項目上。1997年發(fā)布了基于802.11協(xié)議的第一個版本，提供2Mbit/s速率，在1999年提高到11Mbit/s，使用價值大大提高，隨后WiFi得以快速發(fā)展。

WiFi定義了MAC層協(xié)議和安全性,但未定義設(shè)備的應(yīng)用對象和通信方式，這意味著所有制造商都可以定義自己的應(yīng)用層協(xié)議，因此難以形成統(tǒng)一的標準，這限制了WiFi在互聯(lián)家居設(shè)備對設(shè)備市場的應(yīng)用。

WiFi還設(shè)定了網(wǎng)絡(luò)的中央接入點模型,即如果該接入點不工作,網(wǎng)絡(luò)則會停止運行。相對于其他協(xié)議，WiFi的功耗較高,因此盡管適用于供電設(shè)備,但它在電池供電極為關(guān)鍵的應(yīng)用中效果并不理想。

此外，WiFi還存在著擴展性方面的問題。例如,某些路由器的配置最多僅支持15臺設(shè)備,而互聯(lián)家居預(yù)計接近100臺設(shè)備。另一個問題是各類數(shù)據(jù)源導(dǎo)致的WiFi網(wǎng)絡(luò)競爭。

WiFi組網(wǎng)結(jié)構(gòu)

WiFi有兩種組網(wǎng)結(jié)構(gòu)：一對多(Infrastructure模式)和點對點(Ad-hoc模式，也叫IBSS模式)。我們最常用的WiFi是一對多結(jié)構(gòu)的，一個AP(接入點)，多個接入設(shè)備，我們用的無線路由器是其實就是路由器+AP。WiFi還可以點對點結(jié)構(gòu)，比如兩個筆記本可以用WiFi直接連接起來不經(jīng)過無線路由器。

1對多模式

點對點模式

WiFi的安全性

常用的WiFi加密有WEP，WPA，WPA2。WEP安全性太差基本上被淘汰了。目前WPA2是被業(yè)界認為最安全的加密方式。WPA加密是WEP加密的改進版，包含兩種方式：預(yù)共享密鑰(PSK)和Radius密鑰。其中預(yù)共享密鑰(PSK)有兩種密碼方式：TKIP和AES，相比TKIP，AES具有更好的安全系數(shù)。WPA2加密是WPA加密的升級版，建議優(yōu)先選用WPA2-PSK AES模式。WPA/WPA2加Radius密鑰是一種最安全的加密類型，不過由于此加密類型需要安裝Radius服務(wù)器，一般用戶不容易用到。

WiFi技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)中廣泛應(yīng)用于電力監(jiān)控、油田監(jiān)測、環(huán)境監(jiān)測、氣象監(jiān)測、水利監(jiān)測、熱網(wǎng)監(jiān)測、電表監(jiān)測、機房監(jiān)控、車輛誘導(dǎo)、供水監(jiān)控，帶串口或485接口的PLC，RTU無線功能的擴展。

基于WiFi的物聯(lián)網(wǎng)傳輸技術(shù)具有以下優(yōu)勢：

成本低廉：相對于有線安裝、維護、故障診斷和升級配線的成本

活性高：沒有電纜的約束，設(shè)備可任意架設(shè)和調(diào)整

低功耗：采用低耗能設(shè)計，可應(yīng)用于電池供電的產(chǎn)品中

可靠性高：在有線網(wǎng)絡(luò)中大部分的故障是由連接器引起的，而無線系統(tǒng)則排除了這樣的可能。并可滿足在艱苦工業(yè)環(huán)境所要求的持久性和可靠性。

安全性：具有多種加密方式，保證數(shù)據(jù)傳輸私密性。

施工周期短：WiFi組網(wǎng)方式，可以通過節(jié)點的自組織和自配置功能迅速搭建成有效的通信網(wǎng)絡(luò)。

藍牙

藍牙是一種大容量，近距離無線數(shù)字通信技術(shù)標準，設(shè)計初衷是替代RS232電纜連接計算機外設(shè)。藍牙技術(shù)最早始于1994，由電信巨頭愛立信公司研發(fā)，是在兩個設(shè)備間進行無線短距離通信的最簡單、最便捷的方法，可實現(xiàn)固定設(shè)備、移動設(shè)備和樓宇個人域網(wǎng)之間的短距離數(shù)據(jù)交換。藍牙還添加了AFH(Adaptive Frequency-Hopping)技術(shù)，自適應(yīng)跳頻，以在有WiFi信號的情況下避開WiFi的頻率，提高抗干擾能力。

藍牙通信頻段主要為2.402GHz~2.480GHz。藍牙技術(shù)被廣泛地用于手機、PDA等移動設(shè)備，PC、GPS設(shè)備，以及大量的無線外圍設(shè)備(藍牙耳機、藍牙鍵盤等)。

藍牙跳頻示意圖

從1998年到2009年，藍牙版本經(jīng)過了1.0到3.0的版本迭代后，雖然數(shù)據(jù)傳輸速率上有提升，但仍牢牢定位于近距離無線數(shù)據(jù)傳輸平臺技術(shù)，在應(yīng)用中牢牢占據(jù)著藍牙音箱和耳機，以及藍牙鼠標和鍵盤等領(lǐng)域。

2010年藍牙發(fā)布4.0版本BLE(Bluetooth Low Energy，即藍牙低功耗)，針對物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用需求進一步簡化了藍牙技術(shù)，BLE較傳統(tǒng)藍牙最大的特點就是低功耗，應(yīng)用于對實時性要求較高，但對數(shù)據(jù)傳輸速率要求比較低的場景。通過BLE，藍牙技術(shù)的演進方向開始直接對準物聯(lián)網(wǎng)。

2016年藍牙發(fā)布5.0版本，藍牙5與藍牙4.2相比，提高的傳輸速率與傳輸距離，增強了抗空口干擾的能力，并提高了室內(nèi)定位的精確度。

2019年1月，藍牙5.1標準推出，在藍牙5.0的基礎(chǔ)上，新增多天線/AOA/AOD功能，增加了藍牙的定位能力，定位的精度大幅提升，由原先的 10米級別提升至厘米級，這一定位精度可使其在室內(nèi)導(dǎo)航、物體追蹤等大有可為。

藍牙技術(shù)的優(yōu)點：“低功耗藍牙”模式下實現(xiàn)了低功耗，覆蓋范圍增強，最大范圍可超過100米;支持復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)：針對一對一連接最優(yōu)化，并支持星形拓撲的一對多連接等;智能連接：增加設(shè)置設(shè)備間連接頻率的支持，Ipv6網(wǎng)絡(luò)支持;較高安全性：使用AES-128 CCM加密算法進行數(shù)據(jù)包加密和認證;藍牙模塊體積很小，便于集成;可以建立臨時性的對等連接(Ad-hoc Connection)：根據(jù)藍牙設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)中的角色，可分為主設(shè)備(Master)與從設(shè)備(Slave)。

其缺點是不能直接連接云端，傳輸速度比較慢，組網(wǎng)能力比較弱，而且網(wǎng)絡(luò)節(jié)點少，不適合多點布控。

藍牙技術(shù)的出現(xiàn)是信息技術(shù)不斷進步的結(jié)果，現(xiàn)在我們處在全球物聯(lián)網(wǎng)快速發(fā)展的節(jié)點上，設(shè)備與設(shè)備，人與設(shè)備等都有時刻保持聯(lián)網(wǎng)的需求，藍牙技術(shù)為萬物互聯(lián)提供了一種非常高性價比的解決方案。倘若藍牙技術(shù)在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的應(yīng)用一旦鋪開，那么依靠其巨大的出貨量(低成本)與兼容性(連接手機)，憑借其在產(chǎn)品生態(tài)系統(tǒng)上的優(yōu)勢，在不遠的未來應(yīng)該有一席之地。

ZigBee

ZigBee被正式提出來是在2003年，ZigBee的出現(xiàn)是因為藍牙、WiFi無法滿足工業(yè)需求，它的出現(xiàn)彌補了藍牙、WiFi等通信協(xié)議高復(fù)雜、功耗大、距離近、組網(wǎng)規(guī)模太小等缺陷。名稱取自蜜蜂，蜜蜂(Bee)是靠飛翔和“嗡嗡”(zig)地抖動翅膀的“舞蹈”來與同伴傳遞花粉所在的方位信息，依靠這樣的方式構(gòu)成了群體中的通信網(wǎng)絡(luò)。

ZigBee是短距離物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，用于連接10-100米范圍內(nèi)的設(shè)備，不通過LPWAN直接接入網(wǎng)絡(luò)，需要通過集中器和網(wǎng)關(guān)接入。通過其網(wǎng)狀拓撲，Zigbee設(shè)備可以通過中間設(shè)備在一定距離上傳輸數(shù)據(jù)，基于IEEE 802.15.4標準的Zigbee已成為嵌入式應(yīng)用中使用最廣泛的通信協(xié)議之一，適用于家庭自動化，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，工業(yè)控制系統(tǒng)，嵌入式傳感器、醫(yī)療數(shù)據(jù)收集、煙霧及闖入者警告、樓宇自動化、遠程無線麥克風(fēng)配置等場合。它不適合在高速率和高速移動的場合。

ZigBee可工作在三個頻段868MHz~868.6MHz、902MHz~928MHz和2.4GHz~2.4835GHz，其中最后一個頻段世界范圍內(nèi)通用，16個信道，為免付費、免申請的無線電頻段。三個頻段傳輸速率分別為20kbps、40kbps以及250kbps。

ZigBee優(yōu)缺點

ZigBee是低成本、低功耗、低功率的短距離無線通信標準，是專為低速率傳感器和控制網(wǎng)絡(luò)而設(shè)計的無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)范，特點如下：

低功耗：由于ZigBee的傳輸速率低，發(fā)射功率僅為1mW，而且采用了休眠模式，因此ZigBee設(shè)備非常省電。據(jù)估算，ZigBee設(shè)備僅靠兩節(jié)5號電池就可以維持長達6個月到2年左右的使用時間，其他無線設(shè)備望塵莫及。

成本低：ZigBee模塊的初始成本在6美元左右，估計很快就能降到1.5~2.5美元, 并且ZigBee協(xié)議免專利費。

復(fù)雜性低：ZigBee協(xié)議的大小一般在4~32KB，而藍牙和WiFi一般都超過100KB。

時延短：通信時延和從休眠狀態(tài)激活的時延非常短，典型的搜索設(shè)備時延為30ms，休眠激活的時延是15ms, 活動設(shè)備信道接入的時延為15ms。因此ZigBee技術(shù)適用于對時延要求苛刻的無線控制(如工業(yè)控制場合等)應(yīng)用。

網(wǎng)絡(luò)容量大：一個星型結(jié)構(gòu)的ZigBee網(wǎng)絡(luò)最多可以容納254個從設(shè)備和一個主設(shè)備， 一個區(qū)域內(nèi)最多可以同時存在100個ZigBee網(wǎng)絡(luò), 一個網(wǎng)絡(luò)中最多可以有65000個節(jié)點連接，網(wǎng)絡(luò)組成靈活。

可靠：采取了碰撞避免策略，為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專用時隙，避開了發(fā)送數(shù)據(jù)的競爭和沖突。MAC層采用完全確認的數(shù)據(jù)傳輸模式， 每個發(fā)送的數(shù)據(jù)包都必須等待接收方的確認信息。如果傳輸過程中出現(xiàn)問題可以進行重發(fā)。

安全：ZigBee提供了基于循環(huán)冗余校驗(CRC)的數(shù)據(jù)包完整性檢查功能，支持鑒權(quán)和認證，采用AES-128的加密算法，各個應(yīng)用可以靈活確定其安全屬性。

此外，ZigBee也有缺點：即抗干擾性差，通信距離短，而且ZigBee協(xié)議沒有開源。

設(shè)備類型和操作模式

zigbee有三種設(shè)備類型

ZC: Zigbee協(xié)調(diào)器，功能最強的設(shè)備，協(xié)調(diào)器構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)樹的根，可以連接到其他網(wǎng)絡(luò)。每個網(wǎng)絡(luò)中只有一個Zigbee協(xié)調(diào)器，因為它是最初啟動網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備。它存儲有關(guān)網(wǎng)絡(luò)的信息，包括充當(dāng)安全密鑰的信任中心和存儲庫;

ZR：Zigbee路由器，除了運行應(yīng)用程序功能外，路由器還可以充當(dāng)中間路由器，傳遞來自其他設(shè)備的數(shù)據(jù);

ZED：Zigbee終端設(shè)備，只包含與父節(jié)點(協(xié)調(diào)器或路由器)通信的足夠功能;它不能從其他設(shè)備中繼數(shù)據(jù)。這種關(guān)系允許節(jié)點在相當(dāng)長的時間內(nèi)處于休眠狀態(tài)，從而延長電池壽命。ZED需要最少的內(nèi)存，因此，它的制造成本比ZR或ZC要低。

當(dāng)前的zigbee網(wǎng)絡(luò)里有兩種模式，帶信標(beacon)的和不帶信標的(non-beacon)，在信標不啟用的網(wǎng)絡(luò)中，使用不帶時隙的CSMA / CA信道訪問機制。在這種類型的網(wǎng)絡(luò)中，Zigbee的路由器和接收端不能休眠，導(dǎo)致耗電量大。

在啟用信標的網(wǎng)絡(luò)中，Zigbee路由器節(jié)點發(fā)送周期性信標，zigbee的接收節(jié)點將定時的喚醒。節(jié)點在兩個信標之間時間內(nèi)睡眠，從而降低其占空比并延長其電池壽命。信標間隔取決于數(shù)據(jù)速率，它們在250 kbit / s時可以從15.36毫秒到251.65824秒， 在40 kbit / s時從24毫秒到393.216秒，在20 kbit / s時從48毫秒到786.432秒。

eMTC

LTE-M，即LTE-Machine-to-Machine，是基于LTE演進的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，在R12中叫Low-Cost MTC，在R13中被稱為LTE enhanced MTC ，即eMTC，為了更加適合物與物之間的通信，也為了更低的成本，對LTE協(xié)議進行了裁剪和優(yōu)化，旨在基于現(xiàn)有的LTE載波滿足物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備需求。

eMTC基于蜂窩網(wǎng)進行部署，支持上下行最大1Mbps的峰值速率，屬于物聯(lián)網(wǎng)中速率，速率比NB-IoT快三倍。設(shè)備通過支持1.4MHz的射頻和基帶帶寬，可直接接入現(xiàn)有的LTE網(wǎng)絡(luò)。eMTC的關(guān)鍵能力在于速率高、可移動、可定位以及支持語音，成本只有Cat1芯片的25%，相比于GPRS速率要高四倍。

eMTC的特性窄帶LTE其中最主要的幾個特性。第一，系統(tǒng)復(fù)雜性大幅度降低，復(fù)雜程度及成本得到了極大的優(yōu)化;第二，功耗極度降低，電池續(xù)航時間大幅度增強;第三，網(wǎng)絡(luò)的覆蓋能力大大加強;第四，網(wǎng)絡(luò)覆蓋的密度增強。

eMTC具備LPWA基本的四大能力：一是廣覆蓋，在同樣的頻段下，eMTC比現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)增益15dB，極大地提升了LTE網(wǎng)絡(luò)的深度覆蓋能力;二是具備支撐海量連接的能力，eMTC一個扇區(qū)能夠支持近10萬個連接;三是更低功耗，eMTC終端模塊的待機時間可長達10年;四是更低的模塊成本，大規(guī)模的連接將會帶來模組芯片成本的快速下降，eMTC芯片目標成本在1～2美金左右。

eMTC的應(yīng)用

eMTC在智能物流上，具有防盜、防調(diào)換、實時溫度傳感和可定位優(yōu)勢，能夠?qū)崟r監(jiān)控及定位，將信息記錄及上傳，可以對行駛軌跡查詢，eMTC技術(shù)監(jiān)控設(shè)備支持語音，對于監(jiān)控更加到位。

在智能可穿戴設(shè)備中，可支持健康監(jiān)測、視頻業(yè)務(wù)、數(shù)據(jù)回傳和定位，可解決嬰幼兒和老人等社會重點保護對象的安全問題。

eMTC技術(shù)應(yīng)用到車載車輛管理。因為eMTC可移動性以及支持語音，對于車輛管理跟蹤定位有很大作用。如果醫(yī)院120車輛管理進行eMTC技術(shù)應(yīng)用更新，醫(yī)院根據(jù)呼叫者電話打入的信號位置確定病人位置，120司機根據(jù)位置，直接導(dǎo)航到目的地，可以節(jié)約寶貴的搶救時間。

eMTC也可以以屏幕為抓手，應(yīng)用到智能充電樁、候機寶、電梯衛(wèi)士、智能公交站牌、公共自行車管理等方面。

SigFox

SigFox成立于2009年，是一家總部位于法國Labège的法國公司。SigFox是為打造物聯(lián)網(wǎng)的無線網(wǎng)絡(luò)而生的，其優(yōu)勢在于沒有傳統(tǒng)無線網(wǎng)絡(luò)的包袱，針對物聯(lián)網(wǎng)的特點，壓縮成本、廣泛覆蓋及提升速率，多適用海外智能制造等場景。

SigFox在歐洲的推廣非常成功，SigFox在全球范圍內(nèi)有自己的基站，目前在全球接近60個國家/地區(qū)開通了網(wǎng)絡(luò)。包括除了俄羅斯以外的歐洲主要25個國家，其中西歐很多國家實現(xiàn)了全覆蓋。另外在北美和中國也有覆蓋。拉美則是SigFox網(wǎng)絡(luò)覆蓋最好的區(qū)域。此外，有數(shù)據(jù)顯示SigFox在巴西的覆蓋率遠遠領(lǐng)先其他LPWAN技術(shù)。SigFox擁有一個龐大的供應(yīng)商生態(tài)系統(tǒng)，包括德州儀器、Silicon Labs和Axom等。

SigFox使用專有技術(shù)，使用較低的調(diào)制速率來實現(xiàn)更長的傳輸范圍，SigFox工作在868MHz和902MHz的ISM頻段，消耗很窄的帶寬或功耗。SigFox無線電設(shè)備采用一種被稱為超窄帶(UNB)調(diào)制的技術(shù)，偶爾以低數(shù)據(jù)速率傳送短消息，由于是窄帶寬和短消息，因此對于僅需發(fā)送較小的不頻繁數(shù)據(jù)的突發(fā)應(yīng)用，SigFox是絕佳選擇。當(dāng)然，SigFox也有一些缺點，將數(shù)據(jù)發(fā)回傳感器、設(shè)備(下行能力)受到嚴重限制，信號干擾可能成為問題。

SigFox網(wǎng)絡(luò)性能特征如下：

每天每設(shè)備140條消息

每條消息12個字節(jié)(96位)

無線吞吐量達100位/秒

SigFox應(yīng)用領(lǐng)域

SigFox網(wǎng)絡(luò)和技術(shù)主要應(yīng)用于低成本的M2M/IoT領(lǐng)域，需要廣域網(wǎng)絡(luò)的覆蓋，有大量的應(yīng)用需要這種低成本的無線通信技術(shù)，SigFox網(wǎng)絡(luò)可應(yīng)用的領(lǐng)域包括：

家庭和消費品

能源相關(guān)的通信 - 尤其是智能電表

健康 - 尤其是正在發(fā)展中的移動醫(yī)療應(yīng)用

交通 - 這可包括汽車管理

遠程監(jiān)控和控制

零售，包括銷售點、貨價更新等

安全

結(jié)語

從演進方向上來看，目前物聯(lián)網(wǎng)接入技術(shù)朝著低功率、廣覆蓋的方向發(fā)展的趨勢日益明顯。

首先對于傳統(tǒng)的蜂窩網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，在5G的標準中，已經(jīng)明確地將海量物聯(lián)接入作為5G未來業(yè)務(wù)的重要方向之一，并3GPP已經(jīng)把當(dāng)下比較熱的NB-IoT和eMTC技術(shù)定為了5G的技術(shù)之一。其次，在傳統(tǒng)的短距連接方面，也在優(yōu)化協(xié)議和技術(shù)結(jié)構(gòu)，以滿足低功耗大連接的需求，典型的就是802.11ah。最后，有一個現(xiàn)象值得注意的是，一些非授權(quán)頻譜廣域技術(shù)，包括LoRa和SigFox等迅速崛起。在歐洲一些運營商的扶持和推動下，目前LoRa和SigFox在全球的產(chǎn)業(yè)推進進程以及商用化部署方面已經(jīng)超前于NB-IoT。當(dāng)時歐洲運營商押寶于這些技術(shù)，也是為了快速搶占低功耗廣覆蓋的物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)連接需求。

在中國，在產(chǎn)業(yè)的推進以及政府政策的鼓勵下，三大運營商均在積極推進LPWA技術(shù)的應(yīng)用，包括NB-IoT的商用以及eMTC的試點應(yīng)用。此外，科技巨頭紛紛入局LoRa，呈現(xiàn)出大中小型企業(yè)、傳統(tǒng)企業(yè)與互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)共同參與的格局。國內(nèi)提供給LoRa發(fā)展的產(chǎn)業(yè)大環(huán)境不斷向好，LoRa聯(lián)盟自身力量也在不斷壯大。

但是由于物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的多樣性，因此對網(wǎng)絡(luò)的需求差異較大。在大多數(shù)場景下，物聯(lián)網(wǎng)作為一個多樣化的市場，沒有任何一個技術(shù)可以解決所有問題，各種方案實施者和產(chǎn)品設(shè)計者要基于帶寬、覆蓋范圍、網(wǎng)絡(luò)容量、可靠性、電池壽命、成本、交互頻率和擴展性等標準之間找到一個平衡來形成決策。

在未來，或許沒有一種通信技術(shù)能夠一統(tǒng)天下，各協(xié)議之間更多的是“互補效應(yīng)”，而非“替代效應(yīng)”。