无线低功耗IIoT传感器网络差异化

由电池供电的无处不在的传感器网络以前所未有的粒度捕获数据，工业物联网(IIoT)正在重塑工业连接格局。从远程监控和能源管理到工人安全和环境传感，工业物联网应用需要满足功耗、可扩展性、移动性和成本要求的无线基础设施，同时不影响运营商级可靠性。

基于IEEE 802.15.4标准的低功耗网状网络和低功耗广域网(lpwan)是两种领先的连接选项。虽然两者都适用于低吞吐量的工业物联网应用，但它们的网络标准差异很大。通过了解它们之间的差异，系统设计人员可以更好地决定哪种无线选项与他们的体系结构和用例匹配。

网状网络

IEEE 802.15.4是一个无线标准，定义了低速率无线个人区域网络(LR-WPAN)中的物理和介质访问控制(MAC)层。尽管IEEE 802.15.4标准允许在不同的免许可证的工业、科学和医疗(ISM)频段进行操作，但基于该标准构建的大多数解决方案仅针对2.4 GHz频段进行了调整。例如WirelessHART、ISA-100.11a和Zigbee，这些都是工业应用中普遍采用的。

由于2.4 GHz操作模式提供的范围非常有限，只有10到100米，因此这些解决方案采用网格拓扑来改善整体网络占用空间。通常，信号在到达网关之前会经过多个设备。在像WirelessHART这样的全网状网络中，所有传感器节点都具有从其他节点中继数据的路由能力。在Zigbee或ISA-100.11a等部分网状网络中，只有选定的节点可以充当路由器。

网状网络的可靠性是通过其自愈能力来实现的。如果路由器或传感器节点发生故障，消息可以通过其他路径重新路由。为了避免包冲突并进一步提高健壮性，采用了“先听后说”或时间同步通信等方法。

缺点是，2.4 GHz频段高度拥挤，有多种电磁噪声源，包括Wi-Fi集线器、蓝牙设备、微波能量、射频照明、工业加热器和焊接设备。虽然WirelessHART和ISA-100.11a采用信道跳频或频率跳频来提高抗干扰性，但如果所有2.4 GHz信道都饱和，这种方法就不起作用。此外，2.4 GHz射频信号的弱穿透能力意味着在结构密集的工业环境中多径传播会降低范围和信号质量。

通过将数据速率降低到最大250kbit /s, IEEE 802.15.4解决方案旨在显著降低功耗。然而，网格拓扑结构的中继特性本质上是能源密集型的。在全网状网络中，靠近网关或位于战略上重要位置的节点承载着大量的中继流量。它们非常容易受到电池故障的影响，这可能会破坏网络的主要部分。

设计和管理网状网络是一项重大任务。额外的设备必须安装为专用路由器，以达到所需的范围，从而增加冗余和成本。特别是在物理障碍较大的工业环境中，需要较高的路由器密度，以抵消弱穿透性，确保网络的可靠性。在手动配置的网状网络中，用户必须为每个节点计算和配置不同的路由路径，并手动处理任何中断。由于冗余设备密度和连接而膨胀的复杂性和成本阻碍了可伸缩性，并限制了这些网络仅适用于中等范围的用例。

像WirelessHART这样的自组织解决方案简化了规划和操作，但也有自己的可伸缩性问题。自配置的路径并不总是最优的，这反过来又会增加流量和功耗，因为会创建更多的跳。最重要的是，拥塞的2.4 GHz气道，由于其高干扰水平，可能会限制网络容量。因此，在实践中，网格解决方案的可伸缩性仍然是每个网关最多几百个设备。

缺乏移动支持是这些网络的另一个考虑因素。IEEE 802.15.4协议仅用于静态设备的通信，不适用于移动端设备的IIoT用例。

低功耗广域网

lpwan是一系列低通量数据通信技术，可以在消耗最小能量的情况下进行远距离通信。虽然不同的解决方案之间的数据速率差异很大，但它们通常低于IEEE 802.15.4网络。除了基于蜂窝的lpwan之外，大多数技术都利用了sub-GHz ISM频段，该频段没有2.4 GHz那么拥挤，能够实现更好的信号传播。

Sub-GHz无线电波在窄信道带宽下的衰减更小，在障碍物周围弯曲得更远，穿透建筑物的穿透力更好。这增加了在由钢、金属、玻璃和其他物理障碍物引起的多径传播环境中的信号性能;并使lpwan的范围达到公里。

由于其广泛的范围，lpwan可以部署在一跳星形拓扑中，这比网格拓扑更节能，更容易管理。由于节点不需要一直保持清醒来转发消息，因此它们可以在睡眠模式下保持更长的时间，从而最大限度地减少能源消耗。此外，轻量级MAC协议和异步通信极大地降低了每次传输的开销和功耗。

lpwan的另一个主要优势是总拥有成本低。简单的波形最大限度地降低了硬件设计的复杂性，从而降低了设备成本，而星形拓扑结构与长范围相结合，降低了对昂贵的基础设施(即基站)的需求。超低功耗还减少了更换电池的需求和相关的维护成本。

虽然在范围、电池寿命和成本方面优于IEEE 802.15.4解决方案，但许多LPWAN解决方案，特别是那些使用免许可证频谱的解决方案，不能保证运营商级的可靠性。具体来说，由于数据速率较慢而导致的长时间传输(即直播)，再加上异步通信，增加了消息冲突和包错误的可能性。随着设备数量和同通道流量的增加，网络性能会迅速恶化。某些LPWAN技术还存在频谱效率低的问题，这限制了网络容量和可伸缩性。

电报分割(一种新兴的欧洲电信标准协会(ETSI)低吞吐量网络标准)有望在无许可证的lpwan中有效克服这些挑战。通过减少直播时间并采用跳频和信道编码等健壮的技术，无论终端节点的数量如何，电报分割提供了每个网关每天数百万条消息的巨大网络容量。同时，在存在高无线电干扰的情况下，分组错误率被降到最低。更重要的是，该技术可在高达120公里/小时的速度下提供出色的机动支持。

基于第三代合作伙伴项目(3GPP)标准的蜂窝lpwan(如NB-IoT, LTE-M)在许可频谱中运行，是替代可靠解决方案。然而，值得注意的是，蜂窝lpwan中的服务质量和可伸缩性是以相对较高的功耗和成本为代价实现的。同样地，采用者完全依赖于运营商的网络足迹，这还远远不是无处不在的。

外卖的决定

虽然基于IEEE 802.15.4的网状网络和lpwan都旨在支持电池供电的传感器网络，但每种网络都适用于不同的IIoT用例和安装设置。802.15.4解决方案更适合中型和中型应用，其中节点大多是固定的，并且彼此靠近。这些网络较高的数据速率和相对较低的延迟使它们成为某些工业自动化和控制应用中昂贵的有线网络的理想替代品。

由于具有优异的射程和穿透性能，lpwan是地理上分散的、具有挑战性地形和较大物理障碍物的校园的更好选择。它们为仅需要定期数据传输的耐延迟IIoT用例提供了更可扩展、更具成本效益和节能的解决方案。例如状态监测、预测性维护、环境感知和能源管理。通过出色的移动支持，某些lpwan还为各种工人安全和车辆管理用例提供可行的连接。

虽然与基于IEEE 802.15.4的网络不同，但并非所有LPWAN解决方案都基于严格的、经过全球验证的行业标准。到目前为止，只有两个标准化的lpwan:一个是实现3GPP标准的蜂窝lpwan;另一种是MIOTY，一种实现etsi标准电报分裂技术(TS 103 357)的解决方案。与专有协议不同，基于行业标准的解决方案需要验证其服务质量和可伸缩性，同时有助于避免供应商锁定的问题。最终，这有助于企业更好地确保其工业物联网项目的长期投资回报(ROI)。

本文发表于工程师的工业物联网补充的控制工程而且设备工程．参见下面补充的其他文章。

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作者简介

Albert Behr是MIOTY全球授权方Behr Technologies的创始人兼首席执行官^TM-工业物联网LPWAN技术的新商业标准。拥有30年的专业经验，Albert领导了成功的技术公司的商业化、融资和运营执行。

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