低功耗無(wú)線通信技術(shù)的應(yīng)用和展望

低功耗無(wú)線通信技術(shù)的應(yīng)用和展望本文：弋方恩智浦半導(dǎo)體大中華區(qū)微控制器事業(yè)部市場(chǎng)經(jīng)理近年來(lái)，無(wú)線技術(shù)迅速發(fā)展，尤其在消費(fèi)類場(chǎng)景里，各種應(yīng)用層出不窮，本文主要探討主流低功耗無(wú)線技術(shù)的應(yīng)用和展望。從通信距離和組網(wǎng)方式來(lái)說(shuō)，分為局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)，從應(yīng)用場(chǎng)景來(lái)說(shuō)，又分為高速率的多媒體音視頻，中等速率的無(wú)線音頻流媒體，低速率的控制傳感數(shù)據(jù)。這些標(biāo)準(zhǔn)各有所長(zhǎng)，在各自的領(lǐng)域里扮演著重要的角色，共同構(gòu)建了一個(gè)豐富而動(dòng)人的現(xiàn)代信息世界。隨著智能設(shè)備的數(shù)量迅速增加，越來(lái)越多的設(shè)備需要具有聯(lián)網(wǎng)能力，據(jù)預(yù)測(cè)，到2020年，將有超過(guò)300億的設(shè)備具有和其他設(shè)備的無(wú)線通信能力。而這其中，數(shù)目比例最大的，就是低功耗無(wú)線局域網(wǎng)設(shè)備。以智能配件為例，越來(lái)越多的設(shè)備支持藍(lán)牙協(xié)議。藍(lán)牙協(xié)議，分為經(jīng)典藍(lán)牙和低功耗藍(lán)牙，經(jīng)典藍(lán)牙適用于音頻流媒體傳輸，諸如無(wú)線耳機(jī)麥克風(fēng)等，低功耗藍(lán)牙適用于遙控器，手環(huán)，燈，家電等需要和智能手機(jī)直接相連并且接收控制的設(shè)備。據(jù)預(yù)測(cè)，2019年，藍(lán)牙設(shè)備數(shù)目將超過(guò)44億臺(tái)，這其中，低功耗藍(lán)牙占據(jù)了絕大多數(shù)。從組網(wǎng)方式來(lái)說(shuō)，藍(lán)牙采用的是星型組網(wǎng)，既手機(jī)或電腦作為中心，其他設(shè)備通過(guò)藍(lán)牙協(xié)議連接至中心(圖1)。這種組網(wǎng)方式的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單易用，而且組網(wǎng)方式清晰直觀，用戶可以通過(guò)很簡(jiǎn)單的連接邏輯來(lái)進(jìn)行設(shè)備的配對(duì)和使用。圖1.藍(lán)牙星型網(wǎng)絡(luò)連接目前低功耗藍(lán)牙的最新版本規(guī)范是BLE4.2和BLE5.0。在BLE4.2規(guī)范中，增強(qiáng)了安全機(jī)制，對(duì)于涉及電子支付的應(yīng)用和安防應(yīng)用，這是非常有必要的。BLE5.0規(guī)范中，增加了2Mbps模式，這對(duì)于數(shù)據(jù)傳輸速率是一個(gè)不小的提升，除此之外，還增加了一些新的特性。恩智浦作為一家領(lǐng)先的半導(dǎo)體公司，在低功耗藍(lán)牙領(lǐng)域，最新的產(chǎn)品可以支持BLE4.2規(guī)范和BLE5.0，廣泛應(yīng)用于消費(fèi)類，工業(yè)類，醫(yī)療類等諸多領(lǐng)域。而隨著智能家居的發(fā)展，這種星型組網(wǎng)方式也暴露出了局限性，因而，需要一種全新的組網(wǎng)方式，既Mesh網(wǎng)絡(luò)（網(wǎng)格網(wǎng)絡(luò)）。在Mesh網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)之間可以直接進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，這樣有效地提高了工作效率，并且在復(fù)雜室內(nèi)環(huán)境中有了更好的表現(xiàn)。目前來(lái)說(shuō)，藍(lán)牙組織最新的Mesh協(xié)議（以下簡(jiǎn)稱BLEMesh）是一種基于網(wǎng)絡(luò)泛洪的協(xié)議，這主要是因?yàn)檫@種泛洪的模式簡(jiǎn)單而易于實(shí)現(xiàn)。但是，這種實(shí)現(xiàn)方式也是利弊參半的，因?yàn)槭蔷W(wǎng)絡(luò)泛洪，不利于節(jié)點(diǎn)的低功耗優(yōu)化，也不利于節(jié)點(diǎn)數(shù)目大規(guī)模提升。圖2.藍(lán)牙Mesh網(wǎng)絡(luò)連接拓?fù)鋱D(圖片來(lái)源/，MeshProfileSpecification1.0)在低功耗無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)中，還有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，叫做Zigbee。Zigbee是天然的Mesh網(wǎng)絡(luò)，和BLEMesh網(wǎng)絡(luò)不同之處在于，Zigbee是基于路由協(xié)議的，這一點(diǎn)，比BLEMesh更勝一籌。我們看到，在目前諸多物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中，Zigbee已經(jīng)大放異彩，比如Amazon最新的產(chǎn)品echoplus，已經(jīng)全面支持Zigbee，可以直接用來(lái)控制其他Zigbee設(shè)備如照明燈。圖3.Amazonechoplus.(圖片來(lái)源：)Zigbee目前最新的版本是zigbee3.0，這個(gè)版本，將互操作性和兼容性提升到了一個(gè)新的高度，為智能家居等應(yīng)用做好了充分的準(zhǔn)備。圖4.Zigbee協(xié)議框架圖(圖片來(lái)源：/zigbee-for-developers/zigbee)和Zigbee類似的還有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，叫做Thread?？梢钥吹?，Thread和Zigbee采用的相同的物理層即IEEE802.15.4。Thread的不同點(diǎn)在于其基于IPv6路由協(xié)議，每一個(gè)節(jié)點(diǎn)具有一個(gè)IPv6地址，這樣做的優(yōu)勢(shì)在于節(jié)點(diǎn)可以方便地被云端所尋址。圖5.Thread協(xié)議框架圖對(duì)于Zigbee和Thread協(xié)議，恩智浦都提供了對(duì)應(yīng)的單芯片解決方案，甚至還提供了一種多模解決方案，可以在同一芯片上同時(shí)運(yùn)行Zigbee/Thread以及低功耗藍(lán)牙協(xié)議。這種雙模的設(shè)計(jì)，為產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供了更加靈活的方式。例如對(duì)于門鎖應(yīng)用，客戶可以通過(guò)手機(jī)藍(lán)牙連接門鎖進(jìn)行開鎖操作，離開家之后，門鎖可以通過(guò)Zigbee網(wǎng)絡(luò)接入家庭網(wǎng)關(guān)從而接入云服務(wù)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程門鈴，安防等諸多應(yīng)用。除了上述的低功耗無(wú)線局域網(wǎng)協(xié)議外，還有若干低功耗廣域網(wǎng)技術(shù)，比如NB-IoT和LoRa。NB-IoT主要利用運(yùn)營(yíng)商的基站，可以提供低功耗低速率的連接，在智慧城市中有大量的應(yīng)用場(chǎng)景，比如路燈，水電表集抄，車輛管理等等。目前在國(guó)內(nèi)運(yùn)營(yíng)商的推動(dòng)下，已經(jīng)有城市進(jìn)行了規(guī)?；纳虡I(yè)運(yùn)行，并取得了不錯(cuò)的成效。LoRa技術(shù)，需要用戶自己建設(shè)基站，但是由于采用了先進(jìn)的信道編碼技術(shù)，LoRa節(jié)點(diǎn)的接收靈敏度可以到達(dá)-142dBm，可以實(shí)現(xiàn)超低功耗下的長(zhǎng)距離通信，最長(zhǎng)通信距離可以達(dá)到30公里。對(duì)于LoRa應(yīng)用，恩智浦可以提供低功耗的MCU來(lái)運(yùn)行其軟件協(xié)議棧。萬(wàn)物互聯(lián)，安全為先。當(dāng)物聯(lián)網(wǎng)中的節(jié)點(diǎn)數(shù)目達(dá)到一個(gè)驚人的量級(jí)的時(shí)候，安全問(wèn)題必將成為一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。要解決安全問(wèn)題，必須從多方面綜合考慮，比如添加安全認(rèn)證芯片，引入防拆解技術(shù)，增加安全啟動(dòng)，進(jìn)行通信加密等。展望前景未來(lái)的世界一定是一個(gè)充分互聯(lián)的，并且人類可以通過(guò)各式各樣的設(shè)備無(wú)感接入。傳感節(jié)點(diǎn)需要低功耗，Mesh網(wǎng)絡(luò)，安全，IP可尋址，并且具有一定