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如何选择合适的物联网通讯技术?

2020-09-09 17:11:57 99

通信技术是过去几年中物联网产业中最受关注的话题,它处于物联网产业中的核心环节,具有不可替代性,起到承上启下的作用,向上可以对接传感器等产品,向下可以对接终端产品及行业应用。此外,通信技术作为一项基础技术对于物联网产品与方案来说十分重要,通信技术在物联网产业的地位可谓举足轻重。   

WIFI、UWB、蓝牙、ZigBee、RFID这几类都属于短距离的通讯技术,并且都可以利用其搭建私有网络(搭建私有网络是为了支持多设备协同边缘计算的要求,这个以后有机会细聊),其中WIFI、UWB和蓝牙都属于具备较大通讯速率的技术,可用于音视频或图片的传输。ZigBee和RFID相比通讯速率就要小很多,不过他们各有其他优势我们后面详细说明。

4G、NB-IOT、LoRa、ZETA、Sub-1Ghz(Sub-1Ghz泛指1Ghz以下的通讯)这几类算是传输距离相对较远的广域网技术,其中4G和NB-IOT都属于运营商网络,也就是搭建这种网络需要相关牌照,当然对于用户来说使用运营商网络也是需要付费的。同时因为其不支持搭建私有网络,因此也就无法通私有网络实现多终端协同的边缘计算了。

LoRa、Sub-1Ghz、ZETA这类广域低频的通讯技术是比较适合物联网的通讯场景,企业可以搭建自己的私有网络,并且都是属于免费的频段不用申请相关牌照即可使用。

物联网通讯技术选型考量因素

上面介绍了几种通讯技术,下面,我们介绍选择通讯技术时需要考量的几个点。下图的相关技术参数表格,供大家参考(虽然因为一些变量因素会影响到相关参数,不过还是具备参考的价值)

1、覆盖范围

覆盖范围是指节点(终端)和网关(基站)的有效通信范围,是衡量通信技术的一个重要指标。物联网的应用通常是具备数据量小、设备数量多、分布散等特点,因此覆盖范围便是很重要的一个因素。覆盖范围越大需要的基站数量也就越少,同时基站和布设的成本以及难度也会大大降低。大家可以计算一下假设一个蓝牙基站300块可以覆盖50米的范围,一个LoRa基站5000块可以覆盖3000米的范围,那么如果想覆盖3000米的范围需要使用多少蓝牙基站呢?布设成本又是多少?(注:这仅仅是从覆盖范围做的假设,实际不会只考虑着一个因素)

从上面可以看出来在覆盖范围上LoRa、NB-IOT、ZETA的覆盖范围都是在数十公里上的,ZigBee和蓝牙都是在百米以内。如果你的应用场景需要覆盖范围广是硬性指标,那么就不用考虑后面两种了。从上图可以看来,通常情况下通讯频段越低其覆盖范围越大,这里主要是因为越低的频段在空气和物体中传播时衰减越小,反之亦然。

2、通信速率

通信速率是节点或网关在一定时间内可以传输数据的数量。假设一个网关的通信速率是10kbps(1280字节),一个传感器的一次数据是8字节。那么也就是说这个网关或节点最多每秒可以收发1280字节/8字节=160个传感器的数据。当然这只是理论值,实际会因避免数据冲突以及数据下发等因素影响。通讯速率和网关的信道数量有关,信道越多速率越高。

在常用通讯技术上来说一般是速率越高越好,不过在物联网行业本身特性就没有特别大的数据量需要传输,因此在考虑通讯速率时主要考虑在一个区域下有多少设备?会产生多大的并发数据量?什么通讯技术的网关可以承载这些数量,以此选择适合的通讯技术并预留一些冗余即可。

3、通信频段

频段指的是电磁波的频率范围,单位为Hz,我们常说的2.4G或5GWIFI其实指的就是频段。无线电的频段是有免授权和授权两种类型的,像是WIFI用的2.4G、5G和LoRa在中国使用的470~510MHz等都是免授权频段,因此我们可以直接免费使用。还有一些频段是受国家管制的,是需要向国家申请才可使用。因此我们选择频段的时候需要考虑频段是否需要授权,如果是非授权频段也要考试频段是否拥挤?以及如何处理同频段干扰问题。

无线电的频段越高其数据的传输速率也就越高,当然功耗随之增加。物联网行业很多的设备通常都是数据量小、使用电池供电,所以需要设备尽可能降的低功耗,像是WiFi这种高功耗的通讯技术使用场景就非常有限了,通常只会用在小范围内的有源设备上。

4、运营商网络&私有网络

运营商网络是指联通、移动、电信等公司搭建的通讯网络,这类网络的网关是运营商搭建的,因此是不可以通过此类网络实现本地设备的局域网通讯,也无法实现本地多数据源的边缘计算。运营商网络覆盖范围大、信号稳定、用户接入即可使用,当然也是需要支付通讯费用。

在第一张图中除了4G、NB-IOT是运营商网络之外,像是LoRa、WiFi、Zigbee、蓝牙、ZETA、RFID等技术都可以搭建私有的局域网络。这类网络需要用户建造网关组网,相对运营商网络来说这类网络不需要通讯费用,也可以利用其局域网特性实现本地多数据源的边缘计算。但是基站的布设和维护成本高,所以需要根据业务场景考虑使用什么方式的网络更加合适。

像是共享单车这类数据量小、设备分散且不固定的应用场景,使用运营商网络是最适合的,但如果是场地固定、设备集中或需要多数据源以及大量数据的边缘计算场景,那么搭建私有网络是比较合适的,这样会省去很多通讯费用,并且数据的响应速度也会比较快。

5、功耗

功耗是物联网行业一直要做取舍和头疼的问题,除了上面说的频段越高,传输速率越大,能耗越高之外,还有一个影响功耗的因素就是通讯协议。像是WIFI这类通讯协议相对比较复杂,并且会保持长连接,因此会比较费电。而像是LoRa、ZigBee、NB-IOT这类技术的通讯协议简单报文长度短,且具备多种工作模式,可以根据应用场景调整工作模式从而实现减低功耗的目的。

6、单跳&多跳通讯

如上图所示,单跳的通讯方式是节点——网关——云端,也就是说节点的数据通过网关直接上云,不可以在网关之间进行路由转发。这种方式单个网关的信号范围就是其可以使用的范围,如果想覆盖更大或更远的范围则只能增加网关,但是每个网关需要连接以太网进将数据上云,因此网关的联网成本和复杂度较高,需要网关布设的地方同时具备电源和网络覆盖。

多跳通讯方式是节点——网关——中继——云端的架构,也就是说数据可以在网关和中继之间做路由跳转,最后通一个网关将多个中继下终端的数据上云。这种多跳方式可以通过增加中继覆盖更大或更远的范围,并且只需要一个网关具备数据上云能力即可。这样的话哪些中继设备只需要有电源供应即可,甚至可以使用电池供电,这样布设成本和布设难度将大大降低。这种方式最适合的应用场景是高压线路的通讯等范围大、数据量小方面的应用,因为一般高压电基站都是在空旷的田野或山区中假设,相联网相对比较麻烦,通过多跳通讯只要一个网关能联网上云就可以带动很多网关的数据上云。

LoRa等通讯都是属于单跳通讯,ZETA、ZigBee、WIFI、蓝牙等通讯是属于多跳通讯。在使用多跳通讯的时候需要注意的是上云网关通讯速率的大小直接限制了通过它上云网关的总通讯速率大小。

不同的场景和需求使用不同的通讯技术,在选型的时候可以先列出硬性指标,然后再这个范围内做有限的调研和选择。比如我们在选择时的两个硬性的指标是覆盖范围大、可搭建私有网络,所以像是NB-IOT、ZigBee这种基本就不用浪费了时间去纠结啦。

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