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使地域上分散的物联网设备实现互连

2022/03/29
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无线连接已经无处不在。由于 Wi-Fi 的不断发展,我们能够很轻松地在家中通过无线连接传输数兆字节的数据或使用广域网 (WAN) 工作。但是,如果说起智慧城市项目中局部的路灯部分,它们是如何进行通信的呢?即使是简单的环境光传感器和灯开关控制器,其要求与我们家庭和办公室的基于 Wi-Fi网络非常不同。此外,从照明到交通管理等应用的一切所需基本基础设施,尽管其实施成本仍然相当可观,但在城市中都很容易获得。可是,考虑一个覆盖农村许多平方公里的智能农业物联网部署,将物联网设备连接到合适的无线网络需要一种不同于我们智能手机、笔记本电脑和家庭自动化系统访问互联网的方法。正如我们将在下一节中看到,低功耗广域网 (LPWAN) 提供了一种可行的解决方案。

LPWAN 揭秘
与大多数通过Wi-Fi连接的设备不同,物联网设备通常需要传输极少量的数据。例如,智能城市光传感器每 10 分钟传输一次环境光读数,并响应打开或关闭照明灯的指令,其中涉及的数据量不超过几十个字节。 LPWAN 技术具有较低数据带宽,并且大多数情况下使用比 WAN 频率更低的无线电频率,再加上它们的低数据速率,因而能够覆盖更远的距离。由于大多数物联网设备都依赖于电池供电,尤其是那些远程部署的设备,因此可用于无线通信的能量有限。对于任何此类物联网设备,LPWAN 的核心优势在于其所需的发射器功率为最低。

每种类型的 LPWAN 都有略微不同的特性。例如,大多数在未经许可的亚GHz (sub-GHz)ISM 频段(工业、科学和医疗)中运行,其中一个使用许可的蜂窝基础设施。他们都具备的共同属性是设备的电池寿命以年计算。除 Wi-SUN 外,其他所有网络都使用星形网络拓扑架构。

LPWAN选择
我们简要回顾一下当今可用的一些最流行的 LPWAN。

Wi-Fi HaLow:该技术由 Wi-Fi 联盟推动,也是唯一支持 TCP/IP 互联网协议的 LPWAN,Wi-Fi HaLow 使用已经成熟的WPA3安全方法。这种LPWAN 使用 sub-GHz 频谱,作用距离大于 1 km,典型数据速率为 150 kbps。由于其出自 Wi-Fi IEEE 802.11 技术,更高密度的调制技术理论上可提供 86.7 Mbps 的最大速率。实际上,就电池寿命而言,这可能超出了典型 LPWAN 应用的需求。

Wi-SUN:这是唯一一种能够提供网状拓扑架构的 LPWAN,据此部署的物联网设备可以相互通信,Wi-SUN 可提供高达 4 公里的点对点距离和从 50 kbps 到 300 kbps 的数据速率。Wi-SUN使用 sub-GHz 未经许可的无线电频谱,其网状拓扑 Wi-SUN FAN(现场区域网络)方法具有自我成网和自我修复的能力,因此设备总能找到通往互联网网络的路线。Wi-SUN的链路延迟(即发送和返回间隔的时间)是所有 LPWAN 中最低的,非常适合那些需要这种要求的应用。

Sigfox:作为 LPWAN 领域的早期进入者,Sigfox 可提供 100 bps 或 600 bps 的区域相关数据速率,并具有10 公里的城市作用范围和高达40公里的农村作用范围。由于整个网络的占空比非常低,Sigfox 将每天传输的消息数量限制为 140 条上行和 4 条下行,数据包大小可能是所有 LPWAN 中最小的,只有 12 个字节,并且在链路会话期间会呈现安全功能。Sigfox LPWAN 由 Sigfox 公司独家拥有,无法使用私有服务提供商网络。

LoRaWAN:LoRaWAN 也是最早用于 LPWAN 的技术之一,它所能提供的最大数据速率为 27 kbps,在农村地区的作用范围可达 15 公里。数据安全功能包括 128 位 AES。与 Sigfox 不同,LoRaWAN每天发送的消息数量没有限制。有几个国家和全球性 LoRaWAN 服务提供商网络,可为公共和商业客户提供服务。

NBIoT:这是网络运营商使用其许可的蜂窝基础设施提供的唯一 LPWAN,可提供高达 127 kbps 的数据速率,但作用距离通常小于 10 公里,这是相对于基站塔台的最大距离。 NBIoT从蜂窝行业的 3GPP 安全功能受益很多。

适合每种应用的 LPWAN
LPWAN 能够为资源受限的物联网设备提供低功耗、远程无线网络功能。对于部署在广泛的物联网应用中基于传感器的边缘节点,所提供的数据速率绰绰有余。凭借设备的较长电池寿命(以年为单位),LPWAN 正在帮助加速物联网的部署。
 

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