低功耗無線通信技術的應用和展望

低功耗無線通信技術的應用和展望本文：弋方恩智浦半導體大中華區(qū)微控制器事業(yè)部市場經理近年來，無線技術迅速發(fā)展，尤其在消費類場景里，各種應用層出不窮，本文主要探討主流低功耗無線技術的應用和展望。從通信距離和組網方式來說，分為局域網和廣域網，從應用場景來說，又分為高速率的多媒體音視頻，中等速率的無線音頻流媒體，低速率的控制傳感數據。這些標準各有所長，在各自的領域里扮演著重要的角色，共同構建了一個豐富而動人的現代信息世界。隨著智能設備的數量迅速增加，越來越多的設備需要具有聯網能力，據預測，到2020年，將有超過300億的設備具有和其他設備的無線通信能力。而這其中，數目比例最大的，就是低功耗無線局域網設備。以智能配件為例，越來越多的設備支持藍牙協議。藍牙協議，分為經典藍牙和低功耗藍牙，經典藍牙適用于音頻流媒體傳輸，諸如無線耳機麥克風等，低功耗藍牙適用于遙控器，手環(huán)，燈，家電等需要和智能手機直接相連并且接收控制的設備。據預測，2019年，藍牙設備數目將超過44億臺，這其中，低功耗藍牙占據了絕大多數。從組網方式來說，藍牙采用的是星型組網，既手機或電腦作為中心，其他設備通過藍牙協議連接至中心(圖1)。這種組網方式的優(yōu)點是簡單易用，而且組網方式清晰直觀，用戶可以通過很簡單的連接邏輯來進行設備的配對和使用。圖1.藍牙星型網絡連接目前低功耗藍牙的最新版本規(guī)范是BLE4.2和BLE5.0。在BLE4.2規(guī)范中，增強了安全機制，對于涉及電子支付的應用和安防應用，這是非常有必要的。BLE5.0規(guī)范中，增加了2Mbps模式，這對于數據傳輸速率是一個不小的提升，除此之外，還增加了一些新的特性。恩智浦作為一家領先的半導體公司，在低功耗藍牙領域，最新的產品可以支持BLE4.2規(guī)范和BLE5.0，廣泛應用于消費類，工業(yè)類，醫(yī)療類等諸多領域。而隨著智能家居的發(fā)展，這種星型組網方式也暴露出了局限性，因而，需要一種全新的組網方式，既Mesh網絡（網格網絡）。在Mesh網絡中，節(jié)點之間可以直接進行數據的傳輸，這樣有效地提高了工作效率，并且在復雜室內環(huán)境中有了更好的表現。目前來說，藍牙組織最新的Mesh協議（以下簡稱BLEMesh）是一種基于網絡泛洪的協議，這主要是因為這種泛洪的模式簡單而易于實現。但是，這種實現方式也是利弊參半的，因為是網絡泛洪，不利于節(jié)點的低功耗優(yōu)化，也不利于節(jié)點數目大規(guī)模提升。圖2.藍牙Mesh網絡連接拓撲圖(圖片來源/，MeshProfileSpecification1.0)在低功耗無線Mesh網絡中，還有一個標準，叫做Zigbee。Zigbee是天然的Mesh網絡，和BLEMesh網絡不同之處在于，Zigbee是基于路由協議的，這一點，比BLEMesh更勝一籌。我們看到，在目前諸多物聯網應用中，Zigbee已經大放異彩，比如Amazon最新的產品echoplus，已經全面支持Zigbee，可以直接用來控制其他Zigbee設備如照明燈。圖3.Amazonechoplus.(圖片來源：)Zigbee目前最新的版本是zigbee3.0，這個版本，將互操作性和兼容性提升到了一個新的高度，為智能家居等應用做好了充分的準備。圖4.Zigbee協議框架圖(圖片來源：/zigbee-for-developers/zigbee)和Zigbee類似的還有一個標準，叫做Thread?？梢钥吹剑琓hread和Zigbee采用的相同的物理層即IEEE802.15.4。Thread的不同點在于其基于IPv6路由協議，每一個節(jié)點具有一個IPv6地址，這樣做的優(yōu)勢在于節(jié)點可以方便地被云端所尋址。圖5.Thread協議框架圖對于Zigbee和Thread協議，恩智浦都提供了對應的單芯片解決方案，甚至還提供了一種多模解決方案，可以在同一芯片上同時運行Zigbee/Thread以及低功耗藍牙協議。這種雙模的設計，為產品設計提供了更加靈活的方式。例如對于門鎖應用，客戶可以通過手機藍牙連接門鎖進行開鎖操作，離開家之后，門鎖可以通過Zigbee網絡接入家庭網關從而接入云服務，實現遠程門鈴，安防等諸多應用。除了上述的低功耗無線局域網協議外，還有若干低功耗廣域網技術，比如NB-IoT和LoRa。NB-IoT主要利用運營商的基站，可以提供低功耗低速率的連接，在智慧城市中有大量的應用場景，比如路燈，水電表集抄，車輛管理等等。目前在國內運營商的推動下，已經有城市進行了規(guī)?；纳虡I(yè)運行，并取得了不錯的成效。LoRa技術，需要用戶自己建設基站，但是由于采用了先進的信道編碼技術，LoRa節(jié)點的接收靈敏度可以到達-142dBm，可以實現超低功耗下的長距離通信，最長通信距離可以達到30公里。對于LoRa應用，恩智浦可以提供低功耗的MCU來運行其軟件協議棧。萬物互聯，安全為先。當物聯網中的節(jié)點數目達到一個驚人的量級的時候，安全問題必將成為一個關鍵環(huán)節(jié)。要解決安全問題，必須從多方面綜合考慮，比如添加安全認證芯片，引入防拆解技術，增加安全啟動，進行通信加密等。展望前景未來的世界一定是一個充分互聯的，并且人類可以通過各式各樣的設備無感接入。傳感節(jié)點需要低功耗，Mesh網絡，安全，IP可尋址，并且具有一定