谁才是物联网连接技术中的王者？

Posted 2021-05-11 HaaS技术社区

1、简介

本文介绍了物联网连接技术的现状，分析各个细分领域的佼佼者或者王者。

 

2、背景

近些年物联网市场保持持续增长，根据IOT ANALYTICS的数据，2020年物联网的连接设备超过了120亿个，首次超过了其他的非物联网设备（如智能手机，笔记本和计算机）。到2020年底，全球217亿个活动连接的设备中，有117亿（或54％）将是IoT设备连接。到2025年，预计将有超过300亿的IoT连接，每人平均将近拥有4台IoT设备。

引用于IOT ANALYTICS

连接技术是上述数据的最重要的技术基础之一，自从1999年物联网（IoT）的概念诞生以来，从最开始的RFID连接部署到现在发展为各种连接技术的百花齐放。笔者在这里无意于华山论剑决出绝对的王者，物联网发展至今已经成为一个非常广茂的领域，没有谁能成为全能者，而是想基于连接类型在不同应用场景中的应用找到其中的王者。

 

3、连接技术的市场发展和典型分类

近几年，低功耗广域网（LPWA），WPAN，WLAN, 蜂窝势头比较猛，有线连接也仍然占有一席之地，以下的图表就很好的表现了这种趋势。

引用于IOT ANALYTICS

按照通信距离可以典型的分为下面几类：

引用于IOT ANALYTICS

 

3.1、有线连接

笔者在汽车行业里从业过几年，业内人士基本都会有一个下意识的反应：即CAN总线就是这个领域的连接王者。

这个下意识的反应主要是基于CAN的如下优点：

简单而低成本	完全集中
ECU通过单个CAN系统进行通信，而不是通过直接的复杂模拟信号线进行通信-减少了错误，重量，接线和成本	CAN总线使用一个进入点就可以与所有网络ECU进行通信-支持集中诊断，数据记录和配置
极其健壮	高效
该系统具有强大的抗电干扰和电磁干扰能力，非常适合于安全要求严格的应用（例如车辆）	通过ID对CAN帧进行优先级排序，以便优先级最高的数据可以立即访问总线，而不会引起其他帧的中断

引用自csselectronics

上述的优势在有线连接中十分明显，远超其小弟LIN。对比另外的一种差分有线连接RS485，CAN提供了通信的物理介质，以及寻址数据包（消息）所需的所有其他机制，避免了数据冲突，检测了传输数据中的故障，从而能够自动重复受干扰的消息，并确保网络中所有节点上的数据一致性。此外，CAN通过消息标识符，数据和控制字节指定数据帧的结构。RS-485连接仅寻址OSI模型中的第1层（物理层），而CAN也添加第2层（数据链路层）。因此，CAN是实时兼容的解决方案。根据消息的ID，根据消息的优先级，可以为每个CAN消息预测最大等待时间，而与其他节点的总线负载或性能无关。同时CAN具有高级错误管理。如果节点未正确接收到消息（CRC或格式错误），则接收者将通过错误帧销毁该消息，并将其标记为对所有节点无效。此操作将启动CAN控制器中的自动重复。当然CAN的硬件成本也确实比这两者要高。

 

基于CAN之上还发展了一系列的标准化协议，如用在车载网络的J1939, 用于汽车诊断的OBD和OBD2, 用于工业自动化的CANopen，还有最新的CAN FD的发展。这个从1986年发展至今的有线连接总线仍然生机勃勃的发展着，而且已经超越汽车领域的应用，甚至成为工业的连接标配。

 

如果你想有一个可靠，安全，强壮，高效的有线连接技术，CAN绝对是不二之选。

 

当然如果对带宽有较大要求还有Ethernet可以选择，对楼宇，家居的布线有要求可以选择PLC等等，这里不在赘述。

 

3.2、LPWA

LPWA（NB-IoT，LTE-M，Lora，Sigfox等）发展迅猛，2015年的全球市场只有1000万，但到2020年，该市场的物联网连接数量达到4.23亿，并且预计将以43％的复合年增长率增长，到2025年将达到25亿个物联网连接。

这个领域有两个最大的明星LoRa和NB-IoT，以下是其技术参数的比较，LoRa是使用LoRaWAN协议：

引用于ABI Research

大家实际参数比较接近，只是略有侧重。

 

但就中国而言，NB-IOT工作频段由国家分配能提供更高的服务质量，国内三大运营商所使用的NB-IOT频段由国家统一分配，不存在被清频的风险。无线环境相对比较干净能提供更高的服务质量。而LoRa在国内使用的470-518MHz是工信部分配给广电的频段，若国家重新分配该频段则存在被清理的风险。

 

此外NB-IOT比LoRa更适合高速率且通信频繁的应用场景，NB-IOT与LoRa设计理念与实现传输的方式不同导致通信能力有所差异。LoRa是专为低功耗而设计，采用异步传输方式，终端不需要实时与基站保持同步从而降低了终端功耗，但每次通信需要携带同步信号因此增加了频率资源开销导致频率利用率低；NB-IOT是基于4G的蜂窝通信技术，最初的设计理念是最优的频率利用率以提升传输速率，采用同步传输方式，通信时不需要携带同步信号从而减小频率开销提升了频谱利用率，但需要实时与基站保持同步增大了终端功耗。因NB-IOT有较高的频谱利用率故能提供比LoRa更高的传输速率， NB-IOT上行峰速的理论值是LoRa的5倍。

LoRa的应用场景相对NB要少一些，NB-IOT属于运营商网络，可实现连片覆盖，更适合终端地域分布广泛且有移动性的分散型应用场景。对于终端静止且较为集中的行业性应用场景，NB-IOT与LoRa均能满足需求，应基于网络环境及个性化需求进行选择。

总的来说这个领域就国内而言还是NB会更胜一筹。

 

3.3、近场通信

近场通信主要有WLAN和WPAN，其中WLAN的典型代表是WiFi，WPAN的典型代表是Bluetooth和Zigbee。

WiFi，Bluetooth，Zigbee都是智能家居场景的主力。下图较为明确了标明了它们的相关差异：

引用自jeromeabel

再加上功耗的维度，就能比较清晰的找到符合场景的连接技术：即如果要追求和手机近距离通信，低功耗，则Bluetooth是首选；如果要选择高吞吐，高带宽，则WiFi有较大的优势；而Zigbee是相对协议复杂度较低，多节点的类型，比较适合家居的小网关，也可以用在工业网络的数据采集，笔者就曾基于Zigbee实现过光伏电站的组件级无线监控。

 

3.4、蜂窝

首先让我们来看一张蜂窝无线通信的演进图，低功耗和高速率是两个重要的演进方向。

引用自广和通的宣传材料

上图中的2/3G目前处在全球退网的大浪潮中，出现了一个很大的市场真空。如果想为其找一个替代者，4G Cat 1无疑是个很好选择，它兼具了速率和功耗的折中优势，近两年已经逐渐形成物联网广域通信的重要角色。

 

总结下来，它有如下的几个优势：

引用自广和通的宣传材料

这些优势让其在市场上快速扩展，大批量出货的同时也使其价格也大幅下降，蚕食很多Cat 4的市场，同时也很好的扮演了2、3G的替代者，典型的如笔者负责的4G Cat 1穿戴方案，大量的儿童手表都过渡到了4G Cat 1的平台，已经逐渐成为行业主流，其他如POS，充电桩等等行业也都形成以4G Cat 1为主力平台的局面。

 

基于网络调研数据自行绘制了如下图标，比较清晰的反应了其市场的发展，高亮部分即为4G Cat 1。

如果您需要一个移动场景，有一定吞吐和低功耗要求，低成本，那4G Cat 1一定是一个非常好的选择。

 

4、总结

物联网连接技术十分多，这里着重挑选了在各自场景中占有率较高，影响力较大的种类，如开篇所说，物联网连接技术中没有全能者，没有完美者，最终是要根据实际的应用场景，业务特点，或是商业模式去选择最适合自己的技术，广阔的物联网市场仍将是各种连接在各个领域大显身手，等待着你的慧眼去选择。