物联网无线网络技术（比较工业物联网中的几种主流无线技术）

物联网无线网络技术（比较工业物联网中的几种主流无线技术）下面分别列出了工业物联网中最常见的几种无线技术：工业物联网中不同无线技术的接收效率和距离值得注意的是，新的无线技术标准也在不断涌现。例如，作为传统WiFi技术的扩展和补充，Wi-Fi HaLow可提供独特的安全、远距离、低功耗和高度优化的无线连接组合，极大地提升了工厂自动化的管理效率。工业物联网中不同无线技术的性能比较工业物联网中不同无线技术的传输速率与距离

大型生产场景中涉及大量的设备、生产应用系统、工人和产品，稳定、高速、易管理的无线网络是必不可少的需求。

工业物联网的无线通信技术主要分为两类：一类是ZigBee、WiFi、蓝牙等短距离通信技术；另一类是LPWAN（low-power Wide-Area Network），即低功耗广域网通信技术。LPWAN又分为两类：一类是工作于未授权频谱的LoRa、SigFox等技术；另一类是工作于授权频谱下，3GPP支持的2/3/4G蜂窝通信技术，比如EC-GSM、LTE Cat-m、NB-IoT等。

不同的无线技术在组网、功耗、通讯距离、安全性等方面各有差别，因此拥有不同的适用场景。例如，Sub-1GHz技术适用于传输距离远、电池供电、须具备强健性的应用环境；蓝牙适合高速、传输更多信息、通过手机控制的状况；Thread、Wi-Fi等技术也有各自的优势与适用情境。

工业4.0应用场景中的无线连接

值得注意的是，新的无线技术标准也在不断涌现。例如，作为传统WiFi技术的扩展和补充，Wi-Fi HaLow可提供独特的安全、远距离、低功耗和高度优化的无线连接组合，极大地提升了工厂自动化的管理效率。

工业物联网中不同无线技术的性能比较

工业物联网中不同无线技术的传输速率与距离

工业物联网中不同无线技术的接收效率和距离

下面分别列出了工业物联网中最常见的几种无线技术：

ZigBee、蓝牙、Lora、NB-IoT、Sigfox，以及最新的WiFi Halow技术。

ZigBee技术

ZigBee被正式提出来是在2003年，它的出现是为了弥补蓝牙通信协议的高复杂、功耗大、距离近、组网规模太小等缺陷。名称取自蜜蜂，蜜蜂(Bee)是靠飞翔和“嗡嗡”(zig)地抖动翅膀的“舞蹈”来与同伴传递花粉所在的方位信息，依靠这样的方式构成了群体中的通信网络。

ZigBee可工作在三个频段868MHz~868.6MHz、902MHz~928MHz和2.4GHz~2.4835GHz，其中最后一个频段世界范围内通用，16个信道，为免付费、免申请的无线电频段。三个频段传输速率分别为20kbps、40kbps以及250kbps。

ZigBee是低成本、低功耗、低功率的短距离无线通信标准，是专为低速率传感器和控制网络而设计的无线网络规范，具有如下特点：

低功耗：由于ZigBee的传输速率低，发射功率仅为1mW，而且采用了休眠模式，因此ZigBee设备非常省电。据估算，ZigBee设备仅靠两节5号电池就可以维持长达6个月到2年左右的使用时间，其他无线设备望尘莫及。

成本低：ZigBee模块的初始成本在6美元左右，估计很快就能降到1.5~2.5美元 并且ZigBee协议免专利费。

复杂性低：ZigBee协议的大小一般在4~32KB，而蓝牙和WiFi一般都超过100KB。

时延短：通信时延和从休眠状态激活的时延非常短，典型的搜索设备时延为30ms，休眠激活的时延是15ms 活动设备信道接入的时延为15ms。因此ZigBee技术适用于对时延要求苛刻的无线控制(如工业控制场合等)应用。

网络容量大：一个星型结构的ZigBee网络最多可以容纳254个从设备和一个主设备， 一个区域内最多可以同时存在100个ZigBee网络 一个网络中最多可以有65000个节点连接，网络组成灵活。

可靠：采取了碰撞避免策略，为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避开了发送数据的竞争和冲突。MAC层采用完全确认的数据传输模式， 每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息。如果传输过程中出现问题可以进行重发。

安全：ZigBee提供了基于循环冗余校验(CRC)的数据包完整性检查功能，支持鉴权和认证，采用AES-128的加密算法，各个应用可以灵活确定其安全属性。

ZigBee虽然具有低功耗、低成本，低速率、高容量、长电池寿命等优点，但也有缺点，即抗干扰性差，通信距离短，而且ZigBee协议没有开源。

蓝牙技术

蓝牙技术最早始于1994，由电信巨头爱立信公司研发，是在两个设备间进行无线短距离通信的最简单、最便捷的方法，可实现固定设备、移动设备和楼宇个人域网之间的短距离数据交换。蓝牙技术被广泛地用于手机、PDA等移动设备，PC、GPS设备，以及大量的无线外围设备（蓝牙耳机、蓝牙键盘等）。

蓝牙采用跳频技术，通信频段为2.402GHz~2.480GHz。截止目前为止已经更新了10个版本，分别为蓝牙1.0/1.1/1.2/2.0/2.1/3.0/4.0/4.1/4.2/5.0，通信半径从几米到几百米延伸。

相比之前的蓝牙4.2甚至更老的版本，蓝牙5.0有如下特点：

更快的传输速度：速度上限为2Mbps，是之前4.2LE版本的2倍。

更远的有效距离：有效距离是上一版本的4倍。理论上，蓝牙发射和接收设备之间的有效工作距离可达300米。

导航功能：添加了更多的导航功能，可以作为室内导航信标或类似定位设备使用，结合WiFi可以实现精度小于1米的室内定位。

更多的传输功能：增加了更多的数据传输功能，硬件厂商可以通过蓝牙5.0创建更复杂的连接系统，比如Beacon或位置服务。

更低的功耗：大大降低了功耗，人们在使用蓝牙的过程中再也不必担心待机时间的问题。

蓝牙技术的最大的优点是不依赖于外部网络、速率快、低功耗，安全性高。只要有手机和智能设备，就能保持稳定的连接，走到哪连到哪。其缺点是不能直接连接云端，传输速度比较慢，组网能力比较弱，而且网络节点少，不适合多点布控。

LoRa技术

LoRa是美国Semtech公司开发和推广的一种基于扩频技术的超远距离、低功耗无线传输方案，为用户提供了一种能实现远距离、长电池寿命、大容量的简单系统，进而扩展传感网络。目前LoRa 主要在全球免费频段运行，工作频率在美国是915MHz，在欧洲是868MHz，在亚洲是433MHz。其典型范围是2km至5km，最长距离可达15km，具体取决于所处的位置和天线特性。

LoRa技术具有如下特点：

低功耗：通信距离可达15公里，接受电流仅10mA，睡眠电流200nA，延长了电池的使用寿命。

大容量：在建筑密集的城市环境可以覆盖2公里左右，而在密度较低的郊区覆盖范围可达10公里。

支持测距和定位：LoRa对距离的测量是基于信号的空中传输时间，定位则基于多点(网关)对一点(节点)空间传输时间差的测量，定位精度可达5m（假设10km的范围）。

因此，LoRa技术非常适于要求低功耗、远距离、大量连接以及定位跟踪等的物联网应用，如能停车、车辆追踪、智慧工业、智慧城市、智慧社区等。

LoRa的缺点是传输速率慢，通信频段易受干扰，芯片供应被Semtech垄断，从底层开发周期较长，以及自组网的网络机制较为复杂，因此一般公司不愿研究LoRa技术，更愿意买模块直接用。

NB-IoT技术

NB-IoT（窄带物联网）技术起源于一家英国新创公司Neul（2014年被华为收购），聚焦于低功耗广覆盖物联网(IoT)市场。

与使用标准LTE的全部10MHz或20MHz带宽不同，NB-IoT使用包含12个15kHz LTE子载波的180kHz宽的资源块，数据速率在100kb/s到1Mb/s范围之内。

NB-IoT使用授权频段，可采取带内、保护带或独立载波等三种部署方式，与现有网络共存。

作为一项应用于低速率业务的技术，NB-IoT的优势主要有：

低功耗：NB-IoT牺牲了速率，却换回了更低的功耗。采用简化的协议，更合适的设计，大幅提升了终端的待机时间，部分NB终端的待机时间号称可以达到10年！

低成本：与LoRa相比，NB-IoT无需重新建网，射频和天线基本上都可以复用。低速率、低功耗、低带宽同样给NB-IoT芯片以及模块带来低成本优势，模块价格不超过5美元。

海量连接：在同一基站的情况下，NB-IoT可比现有无线技术提供50~100倍的接入数。一个扇区能够支持10万个连接，支持低延时敏感度、超低的设备成本、低设备功耗和优化的网络架构。

广覆盖：NB-IoT室内覆盖能力强，在同样的频段下，NB-IoT比现有的网络增益20dB，相当于提升了100倍覆盖区域的能力。

虽然NB-IoT具有很多优点，但其低速数据传输、隐私和安全、IT系统的转换时间等问题，都将限制其发展。

Sigfox技术

Sigfox源自法国的Sigfox公司以超窄带(UNB，Ultra Narrow Band)技术建设的无线网络，既是一种无线技术，也是一种网络服务。

Sigfox工作在868MHz和902MHz的ISM频段，消耗很窄的带宽或功耗。

Sigfox无线电设备采用一种被称为超窄带(UNB)调制的技术，偶尔以低数据速率传送短消息，消息最长是12个字节，一个节点每天可以传送的消息数量最多140条。由于是窄带宽和短消息，因此除了其162dB的链路预算外，还可以达到数公里的长传输距离。对于仅需发送较小的不频繁数据的突发应用，Sigfox是绝佳选择。

Sigfox的缺点是数据发送回传感器/设备（下行链路能力）受到严重限制，信号干扰也可能成为问题。

HaLow技术

连接不稳，效率不高，时段时续，这些一直是WiFi技术让人头疼的问题。

HaLow是适合工业物联网应用的新版WiFi，代号是802.11ah，它使WiFi可以应用到更多地方，如小尺寸、电池供电的可穿戴设备，同时也适用于工业设施内的部署，以及介于两者之间的应用。

HaLow采用900MHz频段，低于当前WiFi的2.4GHz和5GHz频段，更适合小量数据负荷以及低功耗设备。美国使用902MHz至928MHz的免许可频段， 其它国家使用1GHz以下的类似频段。虽然大多数WiFi设备在理想条件下最大只能达到100m的覆盖范围，但HaLow在使用合适天线的情况下可以远达1km，信号更强，且不容易被干扰。HaLow号称传输距离是标准2.4GHz WiFi的两倍，而且穿墙能力更强。

HaLow不适于快速传输数据，也不适合网页浏览（这对物联设备影响不大）。另外，900MHz是未经授权的频段，容易受到干扰。

工业物联网无线技术参数比较

哪种技术将胜出？

据市场研究机构IHS Markit的最新报告，在低功耗广域网无线技术中，LoRa与NB-IoT可说是遥遥领先，LTE-M版本的4G蜂窝技术位居第三名，Sigfox紧随其后。

IHS Markit预测，NB-IoT与LoRa到2023年可望占据所有LPWAN链路的86%，2023年将会是这两种技术的竞争，其中更多私有网络将采用LoRa，NB-IoT则主要应用于公共网络。

值得一提的是，华为旗下的海思(HiSilicon)是目前NB-IoT芯片的领导供货商，其中有九成布署于中国；排名第二的NB-IoT芯片供货商是台湾的联发科(Mediatek)，第三大供货商则是中国的紫光展锐(Unisoc)。

而Sigfox主要依靠一家创投公司支持，成为全球物联网运营商并保持技术专有。IHS Markit的调查报告显示，2017年Sigfox的出货量还不到9 000个模块，市占率排名第三，远远落后于LoRa和NB-IoT。IHS Markit预测Sigfox的年销售可望在2021年时成长10倍，但仍位居LoRa和NB-IoT之后。

与此同时，蓝牙联盟和Wi-Fi联盟都使出了自己的大招。蓝牙 5.0 提升的信号覆盖范围号称能覆盖整栋公寓，足以媲美家用 WiFi 路由器的数据传输距离。HaLow则融合了以前WiFi技术与蓝牙的优点。

在工业物联网中，客户的需求是丰富多样的，单一技术无法解决客户的所有问题。不同的无线技术彼此竞争，同时又互为补充，因为工业物联网的未来，没有一种通信技术能够一统天下。