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如何選擇適合自己的低功耗的物聯網標準

2019-12-12 10:08:26 來源:Qorvo

經常有人問我這樣的問題:面對令人眼花繚亂的各種標準,應該選擇哪一種?ZigBee、Thread、藍牙網狀網絡(Bluetooth Mesh),還是Wi-Fi?還是LoRa?還是最好等待5G和NB-IoT?

當然,這些疑問會使人感到困惑,并阻礙物聯網(IoT)的普及。如圖1所示,造成這種困惑的部分原因是,我們很難確定哪種標準最合適。此外,市場營銷人員對新標準的性能提出了不切實際的要求,如延遲(“小于幾毫秒!”),好像這真的有必要似的,事實并非如此。大多數應用可以接受數秒的延遲;即使電視直播延遲了幾秒鐘,它仍然是電視直播。

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圖1 無線標準適用范圍一覽。

那么,如何回答“應該使用哪種標準?”通常,遇到這個問題時,我會反問“你依靠什么盈利?”一般來說,無線電標準不是盈利的決定性因素。對于無線電,大多數情況是“夠用就行”,是否盈利取決于無線網絡上運作的應用所創造的價值。無線網絡只是無線網絡,就像電線就只是電線一樣。

請記住:無論現在的無線標準是什么,5~10年后情況可能還會發生變化,所以升級網絡至關重要。但距離“終極”無線網絡技術出現仍需很長時間。

那么,能否展望未來,預測未來的發展方向?我相信預測是可行的,但首先需要介紹一些觀點。

技術與心理的關系

智能手機配備了三種無線電技術(4G、Wi-Fi和藍牙)。為什么是三種,而不是兩種(如平板電腦),或一種、四種?這是因為無線電種類與技術,以及我們對不同生活空間的心理態度有關,讓我進一步解釋。

首先,技術。在很大程度上,無線電性能取決于三個因素:

˙范圍(距離基地臺的距離,如發射塔、路由器、熱點等);
˙數據速率(從簡單的語音通話到觀看視訊);
˙電池壽命(越長越好)。

第四個因素通常是成本,有一個簡單的原則:“越多越貴”。換句話說,更大的范圍通常成本更昂貴;同樣的道理也適用于更高的數據速率和更長的電池壽命。然而,從技術上講,一切皆有可能,可以只配備一種無線電;這種方式不一定經濟高效,但你可以選擇。

還有一個極端的例子。試想一下,用無線(藍牙)耳機聽手機音樂,耳機直接與手機連接,而不與蜂窩網絡連接。然而,從技術上講,也可以將手機和耳機都連接到蜂窩網絡,然后讓音樂從手機經過蜂窩網絡傳輸到耳機。

另一個例子是:當在家中用計算機在Wi-Fi打印機上打印文件時,是否認為這份文件從計算機直接透過無線傳輸到打印機上?從技術上講,這是可能的(例如,透過藍牙或Wi-Fi Direct連接),但也有可能透過Wi-Fi連接到家庭路由器,并從家庭路由器經過Wi-Fi連接到打印機。還可以將打印命令發送到云端,將文件直接從云端服務器經過電纜(或光纖)網絡傳輸到家庭路由器,然后無線傳輸到打印機。使用有線和無線網絡組合傳輸信息的方法不計其數,坦白來說,我們已經迷失了方向,細節也變得無關緊要。總之,只要正常運作,各種方法都可以接受。

其次,我們如何體驗空間?這與技術關系不大,而更多與心理學相關。從最小的層面來說,我們首先體驗的是個人空間。是否曾經有人談話時離太近,使你感到不舒服?如果有這樣的經歷,一定能明白我說的“個人空間”是什么意思。個人空間就像與你如影隨形的彈性氣泡,大小經常會發生變化;如果身處繁忙的地鐵,個人空間要比在餐館或辦公室小得多。

利用聲音或視覺能夠達到的距離也可能構成空間。此類空間可能是家或辦公室。與外面的世界相比,這里屬于私人領地。我們有時會區分不同的空間,如室內和室外,或私人和公共空間。此外,還有由政府所有和管理的室外公共空間。

如果把這三個空間與手機的三種無線電對應起來,就會帶來一種連續性:藍牙無線電適合個人空間(我們的氣泡),Wi-Fi適合私人空間,3G/4G,以及即將到來的5G適合公共空間的連接。巧合?也許不是。曾經參與「標準之戰」的人都知道,并不存在最高委員會能夠決定如何對三個空間劃分不同的無線電和標準,一切標準都是約定俗成的。

過去20~30年中,每種標準都試圖爭奪更大的使用空間,其中一些戰斗延續至今。新一代公共空間標準5G聲稱其在室內運作良好,有可能淘汰Wi-Fi;藍牙最初對Wi-Fi室內市場虎視眈眈(從未成功),而Wi-Fi一直試圖用Wi-Fi Direct取代藍牙市場。盡管Wi-Fi Direct并沒有取得優勢性勝利,但也沒有消亡,Wi-Fi Direct在無人機領域發現了有利的小眾市場。

再聯想到物聯網標準

所以,到目前為止,我們至少了解了為何手機需要配置三種無線電,以及它們如何與我們的“空間”體驗方式無縫連接。但是面對種類繁多的低功耗物聯網標準,應該如何選擇?首先,應了解低功耗標準的市場。

低功耗標準的真正目的是在不影響范圍的情況下延長電池壽命,而不是提高數據速率。通常,低功耗標準用于將設備(如傳感器)連接到網絡(IoT),以共享傳感器數據,而這一過程所需的數據速率比「正常」因特網使用或觀看視訊所需的數據速率要低幾個數量級。所以,本質上,低功耗標準利用犧牲數據速率來延長電池壽命。

有趣的是,這些低功耗標準也開始涉及上文提到的三種范圍:

˙用于個人空間:低功耗藍牙(有時稱藍牙低功耗,簡稱BLE);
˙用于我們的私人空間(如家、辦公室或熱點):ZigBee(IEEE 802.15.4);
˙用于公共空間:NB-IoT/Cat-X作為4G/5G的一部分。

所以,能為各類標準指明發展方向、平息激烈產業討論的答案也許是圖2。

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圖2 不同范圍所用無線標準推薦。

這種低功耗/感測和控制兼容非常有意義,因為它對應我們的體驗空間,以及智能型手機上的三種無線電。

這對未來而言意味著什么?

然而,沒有什么是確定不變的,展望未來是一項冒險的工作。各種技術繼續嘗試進入“其他空間”,市場上也正在推行幾項計劃。包括最大限度地重用現有技術,或進行簡單嘗試(例如,NB-IoT/Cat-X也可以用于室內網絡嗎?)。類似地,有人嘗試將BLE擴展到網絡空間,并增加網格功能來取代ZigBee,就像20年前藍牙試圖取代Wi-Fi一樣。這些努力可能不會成功,但是各大公司還是為此投入了大量資金。

值得注意的是,在局域(室內)和廣域(公共區域)之間可能存在第四個領域。部分大型室外空間仍然是半私用的,如校園、港口、機場和會議中心。所以,問題在于:是否需要為“中間”域設立一種新標準?未來會告訴我們答案。也許現有標準將變得夠靈活(并且具有成本效益),能夠滿足這種空間需求,或出現更合適的新標準。值得注意的是,作為一種偽室外標準,LoRa在私人和公共區域之間的中間域顯現出了一定的優勢,尤其是在港口和機場。

開放標準與專有標準

接下來,本文將介紹開放標準和專有標準之間的角色。歷史證明,開放通訊標準往往比封閉標準更加成功。Wi-Fi將HomeRF擠出了市場;同樣,BLE淘汰了ANT+。

但其他標準仍處在激烈競爭之中,如ZigBee、Thread和Z-Wave(Silicon Labs)。然而,ZigBee和Thread都是基于開放的IEEE 802.15.4標準(就像Wi-Fi是基于IEEE 802.11標準一樣),而Z-Wave是專有、封閉標準。鹿死誰手尚未可知,但很可能是ZigBee/Thread的結合;這兩種標準已經使用了相同的應用層軟件(Dotdot),唯一的區別是網絡層軟件。

高數據速率與低功耗

對于涉足其他領域的標準,值得注意的是,Wi-Fi(高數據速率)和ZigBee(低功耗)之間的界限也并不明確。從應用空間的角度來看,有些需要更高數據速率的應用同時需要使用電池,因此也需要低功耗。

一段時間以來,人們一直致力于降低Wi-Fi的功耗。IEEE 802.11ah就是一個例子,盡管它似乎不可行,因為它在GHz以下的頻段運作,缺乏一致性;全球不同的地區需要不同的無線電技術。然而,如果Wi-Fi 4(11n)和Wi-Fi 5(11ac)功率降得夠低,換句話說,電池壽命足夠長,其低功耗版本可能成為ZigBee的替代品。

總結

以上就是無線電開發人員需要了解的未來發展趨勢和重點。然而,前述規律始終不變:歸根到底,為最終用戶創造價值的是應用的實用性,而不是無線網絡。時間只會告訴我們哪些標準是最成功的,但是如果現在就知道如何盈利,便無需繼續等待。


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