哪些无线网络与嵌入式IoT设备兼容？

如果联网（将数据传输到云端）是嵌入式IoT设备的基本功能，那么选择一种具有弹性和成本效益的网络技术至关重要。LPWAN技术有很多选择，但往往没有一种联网方式适合所有人。Amazon Sidewalk等专为本地社区而建的专用网络，与既有的蜂窝标准相比又如何呢？

将数据连接到云端已成为IoT存在的理由。在此前提下，嵌入式IoT设备开发者必须回答两个问题：哪些无线网络与你的设备兼容？你的设备每次向云端发送数据的成本是多少？

在智能手机中，蜂窝网总是随叫随到，用于数据传输。在室内使用的消费类IoT小工具可以依靠家中的Wi-Fi向云端发送数据。

但是，当宠物追踪器、街道摄像头、太阳能电池板控制器、泄漏传感器或其他户外设备需要将数据传输到云端时，应该找谁？哪些网络是最佳选择？

传统上，将此类低带宽、低功耗设备连接到互联网的方法采用LPWAN（Low-power wide area network）技术。全球联网的最佳LPWAN选择是NB-IoT和LTE-M，它们是专为IoT设备设计的蜂窝网络标准。

NB-IoT是LPWAN的4G/5G蜂窝版本。LTE-M将网络和许可频谱扩展到机器。蜂窝技术为跟踪、移动和定位提供了成熟的基础设施。然而，蜂窝运营商要求的付费订阅模式阻碍了蜂窝IoT的应用。嵌入式设备开发者不知道谁会为蜂窝网埋单。是用户、制造商还是服务供应商？

这种两难处境至今仍未解决。

Amazon Sidewalk于2019年宣布推出低带宽“社区”网络，这让问题变得更加复杂。它使用的是小区里已安装的Amazon IoT设备（包括Echo和Ring）的一小部分网络带宽。

现在，Amazon已将Sidewalk作为联网小工具的平台开放。Nordic、Silicon Labs和TI等IoT芯片供应商已经签约加入。Silicon Labs上月发布了新的Amazon Sidewalk SoC和开发工具。

Amazon Sidewalk的神奇之处在于，它允许IoT设备免费搭载邻居的带宽向云端发送数据。

能够“免费”使用数据网络，对消费者和嵌入式系统供应商来说都是一种福利。

对AWS来说，这是一个更大的胜利，因为Sidewalk可以帮助许多嵌入式IoT设备直接向Amazon的核心业务AWS发送数据。

Sidewalk提供了一个介于智能家居和智能城市之间的专用数据网络，使许多遵循Amazon Sidewalk安全性和兼容性规则的非Amazon IoT设备可以共享数据。

说白了，其他LPWAN技术也有很多选择。它们包括Wi-SUN（完全开放、全球可用的网状拓扑结构）、LoRa（一种专有的ISM波段LPWAN技术，提供长距星形拓扑结构）、Wirepas（一种用于企业IoT的非蜂窝5G连接技术，使用1.9GHz的专用频谱）和Mioty（类似于Lora，一种基于联盟的解决方案，用于地下等恶劣环境中的连接）。

在本文中，我们将重点讨论Amazon Sidewalk和蜂窝IoT网络，它们是对立的，免费网络与订阅网络、专用网络与公共网络。

Amazon Sidewalk

Amazon Sidewalk采用的无线传输技术包括：用于短距和高能效的BLE（Bluetooth Low Energy）、用于长距低功耗通信的LoRa，以及与传统家用电器（如车库门开关）兼容的900MHz移频键控（Frequency-shift keying）。Amazon Sidewalk将所有这三种物理层无线网络协议合并为一个应用层，称为“Sidewalk应用层”。

Sidewalk专注于本地。目前，其使用范围仅限于美国。

据Amazon称，Sidewalk“覆盖了美国90%以上的人口”。不过，网络覆盖范围的增长速度如何还不得而知。Amazon发言人拒绝对“未来计划”发表评论，只说：“我们因开发者社区对该网络的浓厚兴趣而深受鼓舞。”

建立新网络

Sidewalk网络的扩展与Amazon Sidewalk设备的激增有直接关系。

客户可使用两种设备访问Sidewalk，Sidewalk Bridge和支持Sidewalk的设备。Sidewalk Bridge（包括Amazon精选的Echo和Ring设备）可提供与Sidewalk网络的连接。使用Sidewalk Bridge的客户可贡献少量网络带宽。这些带宽汇集在一起，就形成了一个共享网络。而支持Sidewalk的设备则连接到Sidewalk Bridge来访问网络。

为了扩展Sidewalk网络，Amazon需要更多的Sidewalk Bridge作为网关。Amazon解释说：“当 Sidewalk Bridge接收到终端设备的信号时，它会将从Sidewalk终端接收到的信息路由到云端，云端再将信息路由到所需的目的地。”

潜在的挑战在于这些支持Sidewalk的设备必须经过Amazon的认证。尽管Amazon今年早些时候向开发者开放了Sidewalk，但Sidewalk并非对所有人都免费。只有Amazon授权使用Sidewalk低带宽连接的设备才能连接到Amazon Sidewalk。Amazon强调说：“开发者参与一项资格认证计划，以确保开发者的设计符合Sidewalk协议的兼容性要求。”

Amazon合作的半导体公司预计将发挥各自的作用。

Nordic、Silicon Labs和TI都有“现成的芯片”。Amazon表示，这些芯片合作伙伴“帮助分发SDK，将Sidewalk技术作为其平台的一部分”。SDK使开发者能够构建与现有芯片合作伙伴工具包集成的Sidewalk应用。

Silicon Labs的CTO Daniel Cooley解释说，Amazon希望在其Sidewalk网络中只允许使用他们想要的设备。Cooley声称Silicon Labs已经准备好了“市场上最安全的IoT无线芯片”，并补充说：“这么说吧，Amazon Sidewalk不希望它马上就被黑客攻击。”他解释说：“作为一种潜在的情况，网络上的一个坏设备可能会影响附近所有其他设备的服务质量。”

Amazon声称，通过Sidewalk，它可以保护客户的隐私和安全。关于隐私，Amazon解释说，Sidewalk Bridge设备所有者不会收到其他Sidewalk设备的信息。Sidewalk使用单向散列密钥、加密算法和旋转设备ID来最大限度地减少与客户相关的数据。Sidewalk无法看到通过网络发送的内容。

Amazon表示，Sidewalk有多个加密层来确保数据安全。Amazon补充说，这也适用于使用Sidewalk的第三方应用。

Sidewalk的基础架构旨在允许第三方发布将设备与其目标应用连接起来的唯一身份，以防止未经授权的访问。Amazon强调说：“如果第三方未能履行Sidewalk的安全义务，我们的公钥基础架构和访问管理控制将提供撤销特定设备或整个产品线的能力，直到安全问题得到解决。”

蜂窝IoT

蜂窝IoT是网联的另一端。

Altair Semiconductor（现Sony旗下公司）产品管理SVP Dima Feldman解释说，在专业工业IoT领域，重要的是要“提供极高的确定性”并“保证一定的服务质量”，以连接众多可持续使用10年的嵌入式设备（如智能电表）。

Feldman说：“使用蜂窝网络是最自然的方式，因为这些网络已经部署完毕。有人已经支付了基础设施费用。我们可以利用这个部署非常完善的蜂窝网络来提供IoT服务，这些服务将从这个网络中消耗少量数据。”

Feldman补充说，蜂窝IoT在连接嵌入式设备（甚至是室内设备）方面将被证明是有效的，即使是在别人的场所。当IoT设备从一家公司的园区移动到另一家公司的园区时，这些设备可以依靠蜂窝网络发送数据，而无需申请加入不同的Wi-Fi网络。

Feldman强调说，蜂窝IoT是室外通信最自然的方式，可用于智能停车场、计量和照明、资产跟踪设备、车队跟踪等。

Feldman指出，IoT的联网价格已经下降。他指出，与每月数十美元的智能手机服务相比，低带宽嵌入式IoT设备的蜂窝网成本“每月不到10美分”。

他强调说，尽管并非完全免费，但价格“正在推动蜂窝IoT向前发展”。

多变的蜂窝IoT标准

对Feldman来说，联网成本是最容易解决的问题。蜂窝IoT的难点在于理清其全球标准，了解哪些地区的哪些运营商正在部署哪些解决方案。

Cat-M（又称LTE-M）在西方占据主导地位，而NB-IoT则主要由华为和中国供应商推动。

Feldman解释说，尽管LTE-M和NB-IoT之间存在差异，但移动行业还是做出了妥协，将两者都作为蜂窝IoT的标准。事后看来，这可能阻碍了人们对蜂窝IoT的接受。

LTE-M使用1.4MHz的窄带宽，而普通LTE为20MHz。其结果是传输距离更远，但吞吐量却更小。LTE-M具有漫游能力，适合在多个地区运行的应用。

NB-IoT是一种不使用传统LTE物理层的窄带技术标准。它设计用于在LTE频段内或周围运行，并与其他LTE设备共存。它的带宽为200kHz，与LTE-M和普通LTE相比，其传输距离更远，吞吐量更低。

除了LTE-M和NB-IoT外，IoT市场正在部署另一种名为Cat-1 bis的蜂窝IoT标准，这让问题变得更加复杂。

LTE Cat-1 bis是LTE Cat-1的衍生品，LTE Cat-1是多年前制定的标准，但尚未投入商用。据报道，Cat-1 bis使用单根天线（而Cat-1使用两根天线），因此能够开发出成本更低的芯片组和模块设计。Cat-1 bis可连接全球任何LTE网络。

Cat-1 bis芯片组市场由中国企业主导，并与即将被Renesas收购的法国公司Sequans Communications结盟。据报道，Qualcomm也将加入Cat-1 bis市场。

并非所有人都认为Cat-1 bis是蜂窝IoT的长期解决方案，因为5G eRedCap（enhanced Reduced）的出现有望取代基于4G LTE Cat-1和Cat-1 bis的应用。Feldman说，Sony已决定不采用Cat-1 bis，因为保证设备15-20年的使用寿命是IoT的基本要求。

评判标准尚未确定。抛开付费订阅问题不谈，在蜂窝IoT标准的迷宫中穿行仍然充满挑战。

没人会把IoT应用硬塞进特定的LPWAN技术中。IoT网络运营商需要找出一种方案，将多种联网技术融合在一起，使Iot设备能够轻松地将数据发送到云端，而不是选择单一的赢家。







审核编辑：刘清