本文要點：
工業物聯網（IIoT）連接可以通過多種方法實現。
這些方法在功耗要求、傳輸距離、成本和技術成熟度上各不相同。
考慮基於蜂窩技術的用戶需要了解他們計劃部署的國家的頻譜分配情況。
引言
我們生活在一個電子傳感器的世界中，這些傳感器不僅功能強大，還具備低成本和低功耗的特點。有些傳感器能夠檢測和測量光、熱、溼度、振動等參數，並且種類繁多。例如在工廠車間價值數百萬美元的資本設備周圍安裝的一系列傳感器可以傳達設備效率或維護需求的寶貴信息。
然而，工業物聯網設備往往是需要移動的，並且有线連接通常不切實際。那么，如何將這些豐富的信息傳輸到本地設施管理系統或位於數千公裏外的分析服務器呢？
本文將討論用於傳輸傳感器收集信息的幾種無线通信方法，這些方法使得無线工業物聯網成爲現實。衆所周知，不同的技術提供不同的傳輸速率、功耗需求，並且各自最適合不同的應用場景。
值得一提的是，雖然“工業物聯網（IIoT）”通常用於描述專業應用，而“物聯網（IoT）”通常應用於消費者領域，但這兩個術語經常互換使用。
LoRa
LoRa是一種長距離低功耗、低速率的雙向通信標准。最大帶寬約爲50 kbits/秒，非常適用於低功耗要求的電池供電設備。
LoRa工作在ISM（工業、科學、醫療，Industrial, Scientific Medical）頻段，其頻率中心約爲0.9 GHz。這些頻率允許通信距離可達10至15公裏，並且相比典型的2.4 GHz蜂窩頻率，具有更好的穿透障礙物的能力。
LoRa 與 Wi-Fi 和蜂窩通信的比較。圖片來源： Semtech
LoRa標准由LoRa聯盟管理，Semtech是其創始成員之一。LoRa標准得到了國際電信聯盟（ITU）的認可，參考文獻爲ITU-T Y.4480。正如上圖所示，LoRa的工作範圍比Wi-Fi和蜂窩網絡要長。雖然數據帶寬有限，但在許多用例中，這並不是問題。另一個優勢是LoRa通信需要非常低的功耗，因此電源設備可以更小、更輕且不常需要充電或更換。
Zigbee
Zigbee是另一種低功耗技術。當在2.4 GHz頻段上運行時，支持的帶寬可達250 kbits/秒，而在ISM頻段時可達20 kbits/秒。其傳輸範圍較短，約爲10至100米。這些範圍可以通過網狀網絡擴展，在網狀網絡中，每個Zigbee節點可以與任何範圍內的其他節點通信。
這意味着，如果一個節點的信號無法直接到達中心點，它可以將消息傳遞給範圍內的相鄰節點。如果該節點仍無法到達中心點，它會繼續將消息傳遞給另一個節點，直到原始消息到達目的地。這個中心點可能與互聯網連接，也可能沒有。
Zigbee的主要優勢在於，由於其低範圍和低數據容量，每個Zigbee節點消耗的電量非常少。
Zigbee標准由連接標准聯盟（CSA）制定。與之前描述的LoRa聯盟類似，遵守CSA標准確保任何新制造商的設備可以與符合該標准的現有網絡互操作。
LoRa和Zigbee的對比
LoRaWAN®適用於長距離通信，支持成千上萬的設備，非常適合智能農業和資產追蹤等應用。Zigbee則設計用於低功耗應用，常用於家庭自動化和工業監控。LoRaWAN®具有更長的傳輸距離，而Zigbee則提供更高的數據速率。
以下是二者的優缺點對比：
LoRa
- 更長的傳輸範圍
- 更少的功耗
- 擴頻技術防止幹擾
但是…… - 數據帶寬較小
- 使用未授權的無线電網絡可能導致信號幹擾
Zigbee
- 使用AES-128加密，安全性更好
- 延遲較低
- 支持大量的網絡節點
但是…… - 通常只適合室內環境
LoRa和Zigbee的應用場景
以下應用列表並不全面。一些應用場景，如工業監控，可能視具體情況由任一技術服務。
LoRa 適用於農業、工業/工廠、零售監控與控制、物流和智能防火。
Zigbee 最適用於智能家居、樓宇自動化和醫療數據採集。
NB-IoT
窄帶物聯網（NB-IoT）用於連接需要監控和控制的遠程設備。正如u-blox所描述的那樣，“NB-IoT是一種專注於‘物’之間通信的蜂窩技術，能夠在難以到達的地方通過較長周期傳輸少量數據。”
NB-IoT優化了處理少量的雙向數據，其設備具有非常低的功耗，且價格低廉。由於相對較低的傳輸頻率，它們在建築物內和地下的覆蓋效果非常好。“對於典型的NB-IoT應用來說，使用其他蜂窩空中接口成本過高，因爲NB-IoT應用不需要它們所有的功能。
適用於 GSM 和 LTE 頻段的 NB-IoT。圖片來源：Researchgate
NB-IoT的另一個優勢是它使用許可頻譜，確保了通信的安全性和可靠性。作爲一種蜂窩技術，如果NB-IoT節點移出一個基站的覆蓋範圍，它可以像智能手機一樣被下一個基站接管，保持連接不中斷。
NB-IoT的應用場景
這種極低功耗技術可以使設備使用一顆手電筒電池持續工作多年。雖然數據傳輸速率較低，但信號範圍可達10公裏。而且一個基站可以支持數萬個設備。應用場景包括：
- 智能建築
- 農業
- 工廠車間
- 醫療保健
- 公用事業
- 交通與物流
- 人員和車輛定位（非連續）
5G Red_Cap
也許5G對消費者的好處不大，除了更高的成本和擁有最新蜂窩技術的炫耀。5G的真正亮點在於它作爲物聯網通信的媒介。一個案例是5G RedCap，即5G減容（Reduced Capacity），也稱爲5G NR-Light。
5G Red_Cap由3GPP推出，3GPP是一個全球性合作組織，其成員包括世界領先的電子通信公司，共同定義和开發電信標准，包括5G。
5G RedCap的延遲與現有4G LTE技術相當，遠低於大多數低功耗廣域網技術（如NB-IoT）的延遲。這意味着5G RedCap可以支持需要接近實時數據通信的應用，例如工業自動化和智能電網應用。
5G Red_Cap沒有涵蓋5G的全部功能，實際上，Red_Cap是“減容”的縮寫。因此，使用該技術的物聯網通信具有較低的數據帶寬，成本更低，功耗更少。然而，正如Quectel所描述的那樣，“RedCap的下行吞吐量超過220 Mbps，上行超過120 Mbps，雖然遠低於全5G的千兆速度，但相比NB-IoT或Cat M1更強大，並且延遲顯著低於4G網絡，適用於依賴接近實時數據通信的應用。”
Red_Cap與LTE的對比
- 更高的峰值數據速率
- 更小的設備尺寸
- 更低的延遲
- 更低的功耗
- 更好的定位能力
Red_Cap讓用戶能夠更快速地利用5G的重要子集功能，而無需承擔完全適應5G的所有成本。
Red_Cap的應用場景包括：
- 醫療可穿戴設備（150/50 Mbps下載/上傳），在緊急情況下精確定位患者
- 視頻監控，延遲<200 ms，上行50Mbps
- 工業無线傳感器，延遲<100 ms，電池壽命極長
挑战與機遇
NB-IoT 和 Redcap 等蜂窩技術是極具吸引力的選擇。在全球範圍內，LTE 的定義相當明確，但 5G 尚在發展中，因此考慮採用 RedCap 的組織需要了解他們打算運營的國家/地區的標准。
可能大家會注意到，我們在此討論的四種技術的用例表現出很大的重疊性。此外，雖然人們談論 6G，但重要的是要意識到 5G 作爲一項標准仍在不斷發展，因此今天不切實際的事情在幾個月後可能會成爲現實。
被監控的站點和設備現在正在生成大量數據，而通過互聯網傳輸這些數據的成本正在上升。因此，系統設計人員應該通過稱爲邊緣計算的過程在本地進行盡可能多的數據分析，而不是完全依賴位於數千公裏之外的分析引擎。
總結
現在我們可以輕松獲得廉價、高效且耗電量極少的傳感器。這些設備可以報告各種各樣的信息，這些信息在廣泛的消費、工業、醫療和軍事情況下都很有用。這些傳感器及其檢索到的信息的一個重要用途是，它們消除了現場人員記錄、記錄和傳輸這些信息的需要。
在某些情況下，這些傳感器和本地控制中心之間的有线連接就足夠了。但更常見的情況是，從這些傳感器收集的數字信息必須傳輸到數千英裏之外的分析引擎。無論如何，有线連接使設施空間的重組成爲一個真正的問題。
這就是物聯網的用武之地。物聯網還消除了對有线連接的需求，有线連接會使庫存控制、運輸和醫療保健等用例變得不可能。
Zigbee 和 LoRa 標准由成熟的國際組織控制。NB-IoT 主要基於成熟的標准 LTE。
Redcap 基於不斷發展的標准 5G。與普遍看法相反，5G 對消費者來說並沒有太大改變，但另一方面，它似乎是電信世界的發展方向。選擇適應這一令人興奮的新選擇的設計師需要做好功課，因爲成爲先驅者可能會有風險。
本文作者： Gary Elinoff 資料來源：Electropages
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標題：物聯網無线通信：工業物聯網連接的核心
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