因應工業大型生產場景中涉及大量的設備、生產應用系統、人員和產品,穩定、高速、易管理的無線網路是必不可少的需求。

工業物聯網的無線通訊技術主要分為兩類:一類是ZigBee、Wi-Fi、藍牙等短距離通訊技術;另一類是低功耗廣域網路(LPWAN)通訊技術。LPWAN又分為兩類:一類是工作於免授權頻譜的LoRa、SigFox等技術;另一類是工作於授權頻譜下、3GPP支援的2/3/4G蜂巢式通訊技術,比如EC-GSM、LTE Cat-m、NB-IoT等。

不同的無線技術在組網、功耗、通訊距離、安全性等方面各有差別,因此擁有不同的適用場景。例如,Sub-1GHz技術適用於傳輸距離遠、電池供電、須具備穩健性的應用環境;藍牙適合高速、傳輸更多資訊並以手機控制的狀況;Thread、Wi-Fi等技術也有各自的優勢與適用情境。

工業4.0應用場景中的無線連接

值得注意的是,新的無線技術標準也在不斷湧現。例如,作為傳統Wi-Fi技術的擴展和補充,Wi-Fi HaLow可提供獨特的安全、遠距離、低功耗和高度最佳化的無線連接組合,極大地提升了工廠自動化的管理效率。

工業物聯網中不同無線技術的性能比較

以下將討論工業物聯網中常見的幾種無線技術,包括ZigBee、藍牙、Lora、NB-IoT、Sigfox,以及最新的Wi-Fi Halow技術。

ZigBee技術

ZigBee被正式提出來是在2003年,它的出現是為了彌補藍牙通訊協議的高複雜、功耗大、距離近、組網規模太小等缺陷。名稱取自蜜蜂(Bee)靠飛翔和「嗡嗡」(zig)地抖動翅膀的「舞蹈」與同伴傳遞花粉所在方位資訊,依靠這樣的方式構成了群體中的通訊網路。

ZigBee可工作在三個頻段868MHz~868.6MHz、902MHz~928MHz和2.4GHz~2.4835GHz,其中最後一個頻段世界範圍內通用,包括16個通道,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。

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ZigBee是低成本、低功耗、低功率的短距離無線通訊標準,專為低速率感測器和控制網路而設計的無線網路規範,具有如下特點:

  • 低功耗:由於傳輸速率低,發射功率僅1mW,而且採用了休眠模式,因此ZigBee裝置非常省電。據估計,ZigBee裝置僅靠兩節5號電池就可以維持長達6個月到2年左右的使用時間,其他無線裝置望塵莫及。
  • 成本低:ZigBee模組的初始成本在6美元左右,估計很快就能降到1.5~2.5美元, 並且ZigBee協定免專利費。
  • 複雜性低:ZigBee協定的大小一般在4~32KB,而藍牙和Wi-Fi一般都超過100KB。
  • 低延遲:通訊延遲和從休眠狀態啟動的延遲非常短,典型的搜尋裝置延遲為30ms,休眠啟動的延遲是15ms,活動裝置通道接取的延遲為15ms。因此ZigBee技術適用於對延遲要求嚴苛的無線控制(如工業控制場合等)應用。
  • 網路容量大:一個星型結構的ZigBee網路最多可以容納254個從設備和一個主設備,一個區域內最多可以同時存在100個ZigBee網路,一個網路中最多可以有65,000個節點連接,網路組成靈活。
  • 可靠性:採取了碰撞避免策略,為需要固定頻寬的通訊業務預留了專用時隙,避開了發送資料的競爭和衝突。MAC層採用完全確認的資料傳輸模式,每個發送的資料封包都必須等待接收方的確認資訊。如果傳輸過程中出現問題可以進行重發。
  • 安全:ZigBee提供了基於迴圈冗餘校驗(CRC)的資料封包完整性檢查功能,支援鑒權和認證,採用AES-128的加密演算法,各個應用可以靈活確定其安全屬性。

ZigBee雖然具有低功耗、低成本,低速率、高容量、長電池壽命等優點,但也有缺點,即抗干擾性差,通訊距離短,而且ZigBee協議沒有開源。

藍牙技術

藍牙技術最早始於1994,由電信巨頭愛立信(Ericsson)研發,是在兩個裝置間進行無線短距離通訊的最簡單、最便捷的方法,可實現固定裝置、行動裝置和建築物個人區域網路之間的短距離資料交換。藍牙技術被廣泛地用於手機、PDA等行動裝置、PC、GPS裝置,以及大量的無線週邊裝置(藍牙耳機、藍牙鍵盤等)。

藍牙採用跳頻技術,通訊頻段為2.402GHz~2.480GHz。截止目前為止已經更新了10個版本,分別為藍牙1.0/1.1/1.2/2.0/2.1/3.0/4.0/4.1/4.2/5.0,通訊半徑從幾公尺到幾百公尺延伸。

相較於之前的藍牙4.2甚至更老的版本,藍牙5.0有如下特點:

  • 更快的傳送速率:速度上限為2Mbps,是之前4.2LE版本的2倍。
  • 更遠的有效距離:有效距離是上一版本的4倍。理論上,藍牙發射和接收裝置之間的有效工作距離可達300米。
  • 導航功能:添加了更多的導航功能,可以作為室內導航信標或類似定位裝置使用,結合Wi-Fi可以實現精度小於1公尺的室內定位。
  • 更多的傳輸功能:增加了更多的資料傳輸功能,硬體廠商可以透過藍牙5.0創建更複雜的連接系統,比如Beacon或位置服務。
  • 更低的功耗:大幅降低了功耗,人們在使用藍牙的過程中再也不必擔心待機時間的問題。

藍牙技術的最大的優點是不依賴於外部網路、速率快、低功耗,安全性高。只要有手機和智慧裝置,就能保持穩定的連接,走到哪連到哪。其缺點是不能直接連接雲端,傳送速率比較慢,組網能力比較弱,而且網路節點少,不適合多點布控。

LoRa技術

LoRa是美國Semtech公司開發和推廣的一種基於擴頻技術的超遠距離、低功耗無線傳輸方案,為用戶提供了一種能實現遠距離、長電池壽命、大容量的簡單系統,進而擴展感測器網路。目前LoRa主要在全球免費頻段運行,工作頻率在美國是915MHz,歐洲是868MHz,亞洲則為433MHz。其典型範圍是2km至5km,最長距離可達15km,具體取決於所處的位置和天線特性。

LoRa技術具有如下特點:

  • 低功耗:通訊距離可達15公里,接受電流僅10mA,睡眠電流200nA,延長了電池的使用壽命。
  • 大容量:在建築密集的城市環境可以覆蓋2公里左右,而在密度較低的郊區覆蓋範圍可達10公里。
  • 支持測距和定位:LoRa對距離的測量是基於信號的空中傳輸時間,定位則基於多點(閘道)對一點(節點)空間傳輸時間差的測量,定位精度可達5m (假設10km的範圍)。

因此,LoRa技術非常適於要求低功耗、遠距離、大量連接以及定位追蹤等的物聯網應用,例如停車、車輛追蹤、智慧工業、智慧城市和智慧社區等。

LoRa的缺點是傳輸速率慢,通訊頻段易受干擾,晶片供應被Semtech壟斷,從底層開發週期較長,以及自組網的網路機制較為複雜,因此一般公司不願研究LoRa技術,更願意買模組直接用。

NB-IoT技術

窄頻物聯網(NB-IoT)技術起源於一家英國新創公司Neul (2014年被華為收購),聚焦於低功耗廣覆蓋的物聯網(IoT)市場。

與使用標準LTE的全部10MHz或20MHz頻寬不同,NB-IoT使用包含12個15kHz LTE子載波的180kHz寬的資源塊,資料速率在100kb/s到1Mb/s範圍之內。

NB-IoT使用授權頻段,可採取頻段內、保護帶或獨立載波等三種部署方式,與現有網路共存。

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作為一項應用於低速率業務的技術,NB-IoT的優勢主要有:

  • 低功耗:NB-IoT犧牲了速率,卻換回了更低的功耗。採用簡化的協議,更合適的設計,大幅提升了終端的待機時間,部分NB終端的待機時間號稱可以達到10年!
  • 低成本:與LoRa相比,NB-IoT無需重新建網,射頻和天線基本上都可以重複使用。低速率、低功耗、低頻寬同樣為NB-IoT晶片以及模組帶來低成本優勢,模組價格不超過5美元。
  • 海量連接:在同一基地台的情況下,NB-IoT比現有無線技術提供更多50~100倍的接取數。一個磁區能夠支援10萬個連接,支持低延遲的靈敏度、超低的裝置成本、低裝置功耗和最佳化的網路架構。
  • 廣覆蓋範圍:NB-IoT室內覆蓋能力強,在同樣的頻段下,NB-IoT比現有的網路增益20dB,相當於提升了100倍覆蓋區域的能力。

雖然NB-IoT具有很多優點,但其低速資料傳輸、隱私和安全、IT系統的轉換時間等問題,也將限制其發展。

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Sigfox技術

Sigfox源自法國Sigfox公司以超窄頻(UNB)技術打造的無線網路,既是一種無線技術,也是一種網路服務,工作在868MHz和902MHz的ISM頻段,消耗很窄的頻寬或功耗。

Sigfox無線電裝置採用UNB調變技術,偶爾以低資料速率傳送最長12位元組的短訊息,一個節點每天可傳送的訊息數量最多140條。由於是窄頻寬和短訊息,因此除了其162dB的鏈路預算外,還可以達到數公里的長傳輸距離。對於僅需發送較小的不頻繁資料的突發應用,Sigfox是絕佳選擇。

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Sigfox的缺點是資料發送回感測器/裝置(下行鏈路能力)受到嚴重限制,訊號干擾也可能成為問題。

Wi-Fi HaLow技術

連接不穩,效率不高,時斷時續,這些一直是Wi-Fi技術讓人頭疼的問題。

802.11ah HaLow是適合工業物聯網應用的新版Wi-Fi,讓Wi-Fi可以應用到更多地方,如小尺寸、電池供電的穿戴式裝置,同時適用於工業設施內的部署,以及介於兩者之間的應用。

HaLow採用900MHz頻段,低於當前Wi-Fi的2.4GHz和5GHz頻段,更適合小量資料負荷以及低功耗裝置。美國使用902MHz至928MHz的免授權頻段, 其它國家使用1GHz以下的類似頻段。雖然大多數Wi-Fi裝置在理想條件下最大只能達到100m的覆蓋範圍,但HaLow在使用合適天線的情況下可以遠達1km,訊號更強,且不容易被干擾。HaLow號稱傳輸距離是標準2.4GHz Wi-Fi的兩倍,而且穿牆能力更強。

HaLow不適於快速傳輸資料,也不適合網頁流覽(這對物聯裝置影響不大)。另外,900MHz是未經授權的頻段,容易受到干擾。

工業物聯網無線技術參數比較

哪一種無線技術將勝出?

據市場研究機構IHS Markit的最新報告,在低功耗廣域網路無線技術中,LoRa與NB-IoT可說是遙遙領先,LTE-M版本的4G蜂巢式技術位居第三名,Sigfox則緊隨其後。

IHS Markit預測,NB-IoT與LoRa到2023年可望佔據所有LPWAN鏈路的86%,2023年將會是這兩種技術的競爭,其中更多私有網路將採用LoRa,NB-IoT則主要應用於公共網路。

值得一提的是,華為旗下的海思(HiSilicon)是目前NB-IoT晶片的主要供應商,其中有九成佈署於中國;排名第二的NB-IoT晶片供應商是聯發科技(Mediatek),第三大供應商則是中國的紫光展銳(Unisoc)。

Sigfox主要依靠一家創投公司支持,成為全球物聯網營運商並保持技術專有。IHS Markit的調查報告顯示,2017年Sigfox的出貨量還不到9,000個模組,市佔率排名第三,遠遠落後於LoRa和NB-IoT。該公司預測Sigfox的年銷售量可望在2021年成長10倍,但仍位居LoRa和NB-IoT之後。

與此同時,藍牙聯盟和Wi-Fi聯盟都使出了渾身解數。藍牙 5.0 的訊號覆蓋範圍提升到號稱覆蓋整棟公寓,足以媲美家用Wi-Fi路由器的資料傳輸距離。HaLow則融合以前Wi-Fi技術與藍牙的優點。

在工業物聯網中,客戶的需求是豐富多樣的,單一技術無法解決客戶的所有問題。不同的無線技術彼此競爭,同時又互為補充,因為工業物聯網的未來,沒有一種通訊技術能夠一統天下。