最适合物联网应用的各种无线连接技术

在本系列的上一篇文章中，我们谈到了不存在适用于所有项目的“万能”无线连接解决方案。我们还了解了工业和商业领域最热门的物联网应用，并列出了其中最重要的特性和最适合此类应用的无线技术。

本文将更加详细地介绍各种无线连接技术，并根据商业和工业物联网应用中最重要的特性对它们进行比较。

我们将比较以下技术：

• 蓝牙技术
• Wi-Fi
• 基于IEEE 802.15.4的技术（Thread、Zigbee）
• Z-Wave
• 蜂窝低功耗广域网技术（NB-IoT、LTE-M）
• 非蜂窝低功耗广域网技术（LoRaWAN、Sigfox）

我们将比较每种技术的以下几种特性，包括：

• 距离
• 吞吐量
• 功耗
• 成本
• 拓扑结构

在比较各种技术的特性之前，我们先简单介绍每种技术。

1. 蓝牙技术

定义

蓝牙技术是一项在2.4 GHz ISM频段上运行的低功耗无线解决方案。多年来，蓝牙技术不断扩展，如今在距离、带宽和通信拓扑结构方面具有极大的灵活性，能够满足不同物联网应用的需求。

技术细节

目前有两种不同的蓝牙无线电选择：经典蓝牙 （Bluetooth Classic） 和低功耗蓝牙 （Bluetooth LE）。经典蓝牙（或BR/EDR），即初代蓝牙无线电，目前仍被广泛用于串流应用，尤其是音频串流。而低功耗蓝牙主要用于设备间频繁传输数据的低带宽应用。低功耗蓝牙以极低的功耗以及在智能手机、平板电脑和个人电脑中的普及性著称。

低功耗蓝牙分为点对点（point-to-point）、星型拓扑结构（Star Topology）、mesh网络（mesh Topology）和广播式拓扑结构（broadcast topologies）。在 mesh拓扑结构中， 节点之间直接连接，无需通过中枢与其他节点通信。节点能够将数据和信息发送至原始源节点通信范围之外的其他节点，扩大了大型区域内网络的覆盖范围。

主要用例

低功耗蓝牙最常用于医疗和健身设备、智能照明系统、实时定位系统和室内导航应用。

2. Wi-Fi

定义

Wi-Fi是所有IEEE 802.11标准无线局域网（WLAN）的商标名称。Wi-Fi的工作频段通常为2.4 GHz和5 GHz ISM，但较新版本的Wi-Fi也会使用其他频段。

技术细节

Wi-Fi有许多版本。Wi-Fi联盟最近采用了一种新型版本编号系统：Wi-Fi 1（802.11b）、Wi-Fi 2（802.11a）、Wi-Fi 3（802.11g）、Wi-Fi 4（802.11n、Wi-Fi 5（802.11ac）和Wi-Fi 6（802.11ax）。最新发布的版本可满足各类应用的需求，包括更长的距离、更高的吞吐量和更大的覆盖范围。

Wi-Fi最流行的拓扑结构是星型拓扑结构。但在星型拓扑结构中，节点只能通过中枢相互通信。

主要用例

Wi-Fi主要用于大文件传输和带宽较高的数据传输应用，比如视频串流。

在物联网应用中，Wi-Fi最常用于需要直接连接互联网的设备。但它通常无法满足低功耗需求，也很少用于需要长时间依靠微型电池运行的应用和设备。

3. 基于IEEE 802.15.4的技术 （Thread、Zigbee）

定义

IEEE 802.15.4技术指低速无线个人局域网（LR-WPAN）访问层。

技术细节

Thread和Zigbee是两种以该规格为基础的技术。它们的特点是低功耗和低数据速率。IEEE 802.15.4主要用于数据少、距离短、需要同时保持低功耗的应用场景。

虽然该技术也支持星型拓扑，但最常用的是网状拓扑结构。

主要用例

这些技术最常用于智能家居中的无线控制和监测应用场景。

4. Z-Wave

定义

Z-Wave最初是一项照明系统控制协议，后来演变成为由Z-Wave联盟管理的家居自动化协议。

技术细节

这项专有技术在美国的频段为908/915 MHz，在欧洲的频段为868 MHz。频段不同是为了避免干扰2.4 GHz ISM频段并扩大覆盖范围。

这项技术主要使用网状拓扑结构。

主要用例

这项技术的主要应用于智能家居场景中。

5. 蜂窝低功耗广域网技术 （NB-IoT、LTE-M）

定义

LTE-M（LTE Cat-M1或Long-Term Evolution for Machines）和NB-IoT（窄带物联网）都是3GPP（3rd Generation Partnership Project， 第三代合作伙伴计划）所开发的技术标准，并为蜂窝物联网应用技术提供了解决方案。

这两种技术将与其他5G技术共存，有望成为长期5G物联网战略的组成部分。5G是第五代蜂窝移动通信技术的总称，代表2 Gbps的高速网络（将来甚至可以达到100 Gbps）。5G技术将减少网络延迟并扩大覆盖范围（就同时连接网络的设备数量而言）。

技术细节

LTE-M和NB-IoT在特性上有所不同，因此适合的应用场景也有所不同。

NB-IoT最适合需要低功耗和低带宽的简单应用，而LTE-M由于具有更高的数据速率，因此最适合实时和关键任务应用程序。两者之间的主要区别是速度和延迟（LTE-M速度较高，延迟较低）。

NB-IoT和LTE-M主要采用星型拓扑结构。

主要用例

NB-IoT的主要用例包括智能农业、智慧城市和智能仪表应用。LTE-M的主要用例包括物流、医疗设备的回程通信通道以及汽车应用。

6. 非蜂窝低功耗广域网技术 （LoRaWAN、Sigfox）

定义

LoRaWAN是LoRa联盟维护的开源无线网络协议。LoRaWAN建立在LoRa基础之上，loRa是Semtech公司所开发的专有调制格式。

技术细节

LoRa只定义网络堆栈的较低层，而LoRaWAN定义网络堆栈的较高层。LoRaWAN只是建立在LoRa基础之上的多项协议之一。

LoRaWAN被归类为低功耗广域网（LPWAN）技术，可以低功耗实现设备之间的远程通信。

Sigfox也是一项LPWAN技术，但它是法国公司Sigfox所提供的专有技术。该公司是这项技术的唯一网络运营商。

主要用例

LoRaWAN常用于智慧城市应用市场，例如智能公用事业仪表、智能停车计时器以及供应链和物流应用（例如资产追踪）。Sigfox也常用于智慧城市应用。相比美国，这项技术在欧盟地区更加常见。

对比表

下表对比了上文中提到的几种无线技术。

在本系列后面的文章中，我们将介绍各种工业应用场景、列出每种应用场景最重要的特性，并评估最适合该应用场景的技术。
编辑：hfy