物聯網無線網路選擇密技大公開

作者 : Pablo Valerio,EE Times特約記者

物聯網無線通訊網路技術可以大致區分為蜂巢式與非蜂巢式網路兩大類?該如何選擇,取決於連接需求、裝置數量、功耗、部署區域和成本…

大約四年前,筆者撰寫了「Top wireless standards for IoT devices」一文,對市場上可用的不同無線網路技術進行了廣泛的介紹。當時,所安裝的大多數連接裝置都使用傳統的2G蜂巢網路和M2M通訊技術,使用SMS和GPRS/EDGE傳輸資料。

當時,物聯網的新LTE標準——LTE-M和窄頻物聯網(NB-IoT)——開始出現,它們在蜂巢網路上提供了新的低功耗廣域連接。這使得大規模的物聯網應用得以部署,特別是在工業和農業方面。多年來,LTE-M在美國變得非常流行,而NB-IoT則在亞洲和歐洲成為首選標準。

此外,由於LTE-M和NB-IoT都出現在了5G New Radio (NR)的規範中,因此兩者都為5G提供了清晰的路徑。

如今,對於大多數需要低功耗,以及蜂巢網路的安全性和可用性的大規模物聯網應用來說,NB-IoT和LTE-M是首選的解決方案。雖然兩者都支持數千個連接的大規模物聯網部署,但它們也存在一些差異:NB-IoT所需的功率更少且所需的數據機更小,因此非常適合依靠電池運作的小型裝置,但它(尚)不支援SMS或語音;LTE-M則需要更多功率,但它支援SMS和基本的語音通訊。

從蜂巢服務提供者的角度和盈利能力來看,LTE-M使其能夠透過軟體更新來支援現有4G網路上的服務,而NB-IoT則需要額外的硬體。

隨著5G網路的到來,LTE-M和NB-IoT都成為規範的一部分,因此可以直接得到支援。此外,對於需要更多頻寬但不需要完整網路功能的物聯網應用,還有5G NR-REDCAP,它在低頻段頻譜上提供了與LTE類似的性能。

5G透過網路切片提供新的可能性

從定義規格到創建基礎設施,經過幾年的發展,我們已經看到在過去三年中,全球主要城市出現了首個商用5G網路。

雖然5G最初的關注點集中在新標準的更高頻寬、更低延遲和可靠性上,但新一代蜂巢連接的真正好處是5G的可程式設計性、更低功耗,以及靈活性。NR最關鍵的功能之一是網路切片。

完全在5G SA (3GPP第16版及更高版本)中實施的切片技術,將物理無線電虛擬地劃分為多個共存的邏輯分離無線電服務,從而以最適用的資源和網路拓撲支援不同的服務和應用。

 

圖1:網路切片。

(來源:NTT DoCoMo)

 

網路切片對於啟用專用無線網路和大規模物聯網至關重要。透過切片,蜂巢服務提供者(CSP)可以分離5G無線電的某些部分,以便某個公司在其設施中運作單獨的網路;為自動駕駛車提供更高的頻寬和低延遲;或者隔離頻譜中的某個不同部分,而將其用於連接農場中數千個感測器的NB-IoT服務。這些服務和切片在同一個5G網路上運作。

5G對關鍵物聯網而言無可替代

自動駕駛車、遠端手術、無人機監控及其他需要超低延遲和可靠性的關鍵物聯網應用,需要5G NR的功能。此外,CSP們正在關閉全球的傳統2G和3G網路。由於無線頻譜稀缺且受到嚴格監管,營運商們正在重新利用其現有的4G和5G授權。幾年後,4G和5G將成為營運蜂巢連接物聯網裝置網路的唯一選擇。

 

圖2:4G和5G將扮演營運蜂巢連接物聯網裝置網路的重要角色。

 

安全性是蜂巢網路的關鍵特性

蜂巢網路最顯著的優勢之一是其安全性。任何蜂巢裝置都需要一個SIM,從而提供NSA Suite B AES-256加密和身份認證。幸運的是,營運商和OEM可以在沒有SIM卡的情況下使用嵌入式SIM (eSIM)或整合SIM (iSIM)進行產品發貨,然後在不訪問裝置的情況下配置網路憑據。

除了可程式設計性和基本操作之外,一些新的SoC已經具備iSIM、2G、4G和5G無線電功能。

蜂巢網路並不總是最好的選擇

持續的成本、功耗和對CSP的依賴,是許多組織為其物聯網部署選擇其他無線標準的原因。雖然LTE-M和NB-IoT為大規模物聯網提供了低成本、低功耗的方案,但它們的運作成本仍然高於Wi-Fi、LoRA或Sigfox等其他選項。此外,不同的CSP有不同的物聯網商業模式,在某些地區,競爭是有限的或不存在的。

使用LTE-M和NB-IoT部署基於蜂巢的低功耗連接為大規模物聯網應用打開了市場,5G為關鍵物聯網提供無與倫比的性能和可靠性。然而,許多產業不需要蜂巢網路的高階功能,而是從其他無線技術中尋找更直接的解決方案。雖然蜂巢技術(主要是4G和5G)可以滿足大多數無線應用的連接需求,但考慮到成本、可用性、隱私和功耗等因素,許多組織都在尋找其他可能性。

消費類裝置的無線網路

在過去十年中,我們家中的聯網裝置的數量在呈指數級成長。十年前,大多數消費電子裝置和電器都缺乏連線性。如今,萬物都將互連。

智慧音箱、智慧電視、家庭保全系統、照明、咖啡機、洗碗機和許多其他智慧家庭裝置都被連接到一個或多個家用網路。

多年來,大多數裝置透過Wi-Fi和/或藍牙連接到家庭。這些連接標準的優勢顯而易見:易於安裝、價格低廉且隨處可用。Thread和Zigbee所使用的另一種無線標準IEEE 802.15.4出現在了一些裝置中,從而使這些裝置能夠直接相互通訊。

2019年12月,包括亞馬遜(Amazon)、蘋果(Apple)、Google和三星(Samsung)在內的幾家頂級互連消費裝置供應商組成了CHIP工作組,現已被更名為「Matter」。

 

圖3:Matter可實現互通性。

 

Matter的裝置結合使用Wi-Fi、低功耗藍牙(BLE)和Thread來實現裝置和應用之間的互通性。Matter在更多的物體之間創造了更多的連接,從而促進了製造商的發展和消費品的相容性。

此外,每台經過認證的裝置都來自其製造商,並內建了獨特的身份和硬體安全性。將該裝置添加到家用網路非常簡單,消費者也不需要處理和更新所有裝置的複雜密碼。

如今,智慧家庭裝置製造商和OEM可以輕鬆支援Matter。一些晶片組供應商提供了經過Matter認證的SoC,其中包含適用於不同無線標準的連接數據機。

大規模物聯網應用的LPWAN

如上所述,蜂巢物聯網可能不是許多工業、農業和政府應用的最佳選擇。農場中的數千個感測器、城市中的數百萬個智慧電錶或數百個垃圾箱不需要持續進行連接並發送資料。在許多這些應用中,傳輸的資料量很少,通常是定期的資料突發。

其中許多感測器和執行器將在幾年內無需人工干預即可運作,並且在許多情況下,使用相同的電池。

連接這些裝置所需要的網路,必須要能在1GHz以下未經許可的頻譜中運作,要能覆蓋廣闊的區域,並且只需裝置提供非常少的功率就可以發送/接收資料。一些連接標準似乎可以應對這個重要而又不斷成長的市場,其中兩個在全球範圍內廣受歡迎:LoRa和Sigfox。

LoRa特別適用於遠端通訊,它使用未經許可的1GHz以下無線電頻段,如169MHz、433MHz、868MHz (歐洲)和915MHz (北美)。這些低頻段可以實現0.3kbps~50kbps的資料傳輸速率。

最近,LoRaWAN已被國際電信聯盟(ITU)批准為一種標準,由國際電聯電信標準化部門(ITU-T)第20研究組——ITU「物聯網、智慧城市和社區」研究組負責。

LoRa作為大多數M2M應用的新標準進行銷售。它使用基於微微蜂巢和閘道的未授權無線電,獨立於蜂巢營運商工作,這使得LoRa對在廣泛區域部署物聯網裝置的OEM來說非常有吸引力。

LoRaWAN網路在全球大多數國家/地區運作。任何組織若希望使用支援LoRa的裝置,都可以設置自己的網路,這類似Wi-Fi接入點。但是,中小型使用者應該得到網路營運商的協助。通常,每台裝置的成本只是蜂巢連接的一小部分。

使用者可以下載規範並加入LoRa聯盟,任何硬體或閘道製造商都可以建構符合LoRa規範的模組或閘道。LoRa聯盟認為開放能帶來採用,因此其成員強調任何人都可以加入聯盟並建構硬體來支援它。

Sigfox 0G網路

2010年,Sigfox在法國成立,該網路現已在75個國家和地區開展業務。該公司總部位於法國,並在馬德里、慕尼克、波士頓、達拉斯、迪拜、新加坡、聖保羅和東京設有辦事處。

Sigfox是一種窄頻技術。它在868MHz或902MHz未授權頻段中使用二進位相移鍵控(BPSK)無線電傳輸。它只需要很窄的頻譜並透過改變波的相位來對資料進行編碼。

與LoRa不同,Sigfox是一個專有網路。該公司在每個國家/地區只提供一個營運商,因此,要使用支援Sigfox的裝置,需要與當地營運商達成協議。對裝置製造商來說,任何想要Sigfox端點技術的OEM、晶片組製造商或裝置供應商,只要與Sigfox在某些條件上達成一致,Sigfox就會將它提供給它們。

ST、Atmel (已被Microchip收購)和TI等公司可銷售Sigfox數據機晶片,Sigfox透過向其網路合作夥伴收取授權金來營利。

應該使用哪種無線標準?

嗯,這就是重要卻難回答的問題!當然,這取決於連接需求(資料速率、延遲、安全性和可靠性)、裝置數量、功耗、部署區域和成本。

從不同的蜂巢到LPWAN方案,市場已經充滿了可能性。重要的是選擇一種具有廣泛支持的解決方案,從而能在未來多年運作。

(參考原文:2022 top wireless networks for IoT – Part 12022 Wireless Networks for IoT – Part 2: non-cellular options,by Pablo Valerio)

本文同步刊登於《電子工程專輯》雜誌2022年10月號

 

 

 

 

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