IoT应用低功耗广域网路技术大观
2016-03-17
对于消费类的物联网(IoT)应用来说,诸如Wi-Fi、ZigBee和蓝牙等无线网路技术已经是非常理想的了,但许多民用、工业和其他物联网应用,需要运作于比这些技术能够处理更大范围的地理区域;蜂巢式和卫星机器对机器(M2M)通讯技术通常可以用来填补这个空隙,但成本、功耗和可扩展性等因素,使得这些选择对未来缺乏足够的吸引力。
因此许多低功耗广域网路(LPWAN)技术应运而生,那些寻求满足这些大范围物联网应用的开发人员可以对此多加考虑。广域物联网技术的用途非常广泛,诸如停车场资源、交通流量控制、公用设施监视、配电控制,以及环境监视等民用基础设施只是开始,而诸如农作物生长情况监视和牲畜迁移等农业应用也需要广域网路覆盖;从计程车到冷冻货运等资产监视和追踪,则需要地区性、全国性甚至全球性的网路覆盖。铁、公路等交通基础设施也需要广域监视;即使是医疗保健等消费性应用,也能从替代蜂巢式电话的广域网路连结中受益。
低功耗广域网路的必备条件
虽然低功耗广域网路有各种不同的应用,但这些应用对网路技术的需求有许多共通点,包括:
·低成本──大多数广域物联网应用预期每处安装点都需要数百、甚至数千的终终端节点设备;在一些案例中,比如覆盖都市的停车场所/计费监视,这个数量可能达到上百万。鉴于如此大的数量,在判断应用的投资报酬(ROI)时,单价是一个重要的考量因素。
·低功耗──广域物联网应用很少有充裕的本地电源供应,大多数应用将依赖电池,有些应用甚至需要使用能量采集技术;对于使用电池的应用来说,替换能量耗尽的电池不但是一个艰钜的物流挑战,代价也很高。因此终终端节点设备中的电池寿命越长越好。
·扩大的覆盖范围──连接到网际网路的所有无线网路,都需要透过某种接取点(AP)才能工作,例如闸道器、集线器等等;因此一个物联网设计需要同时考量终终端节点的成本,和支援该应用所需的接取点基础设施成本。网路的覆盖范围,或是说从终终端节点到接取点的允许通讯距离,对这种基础设施的成本有很大的影响;这个范围确定了需要覆盖的应用工作区域接取点数量和位置,一般来说范围越大基础设施成本越低。
·可扩展性──某段时间使用广域无线物联网的一个既定装置可能工作得很好,这个网路也有足够的容量处理任何预期中的一单用户;但随着时间的推移,很可能在相同的地理区域内出现许多不同装置,如果这些不同的装置使用共同的接取点,例如蜂巢式通讯的共用基地台,那么接取点可以支援的设备数量将成为一个限制因素,得增加基础设施才能克服。即使它们不共用接取点,只共用频谱资源,装置的增加也会带来杂讯水准的提升进而影响应用的运作范围;在最差情况下,可用的频道容量可能被用光,从而完全限制新的装置投入正常运作。
在比较成熟的无线网路技术中,只有蜂巢式和卫星通讯可以提供这些应用所要求的、扩大的覆盖范围;像ZigBee这样的网状网路有可能覆盖大范围的区域,但由于需要转发流量,因此可扩展性非常有限。
遗憾的是,蜂巢式和卫星通讯技术在其他属性方面有一些缺点;它们的无线电需求涉及更高的能耗和复杂的协议,因而会缩短电池寿命,并增加成本到许多应用无法忍受的地步。这部分源于它们的发展历史:它们最初是设计用来处理语音流量的,对于处理简讯适应不良。
虽然如此,部分物联网应用和服务──通常被称为M2M──确实充分利用了蜂巢式和卫星通讯网路,其中许多是以CDMA或“2G”蜂巢式技术为基础;遗憾的是,为了将频谱资源释放给更先进的蜂巢式技术,服务提供者如今已经开始淘汰这些网路。不过蜂巢式产业也做了一些大的改进,希望能以此改善M2M的境况;针对LTE最新规范(版本12)定义的Category 0通讯类别,就是围绕M2M需求设计的。然而,功耗与成本仍是其中的主要考量因素。
这种状况为应用于物联网的广域无线网路替代技术开启了一扇门,这些技术将专注于低功耗、低成本要求;目前至少定义有6种不同的解决方案,它们的网路布署有的正在逐渐增加、有的刚刚开始,还有3种正在开发中。虽然所有这些技术都试图提供相同的关键核心属性,但它们在许多其他系统属性方面均有所区别,这些属性影响着它们对不同物联网应用的适用性。