低功耗無線通信技術(shù)的應(yīng)用和展望

低功耗無線通信技術(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)部市場經(jīng)理近年來，無線技術(shù)迅速發(fā)展，尤其在消費類場景里，各種應(yīng)用層出不窮，本文主要探討主流低功耗無線技術(shù)的應(yīng)用和展望。從通信距離和組網(wǎng)方式來說，分為局域網(wǎng)和廣域網(wǎng)，從應(yīng)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(shù)據(jù)。這些標(biāo)準(zhǔn)各有所長，在各自的領(lǐng)域里扮演著重要的角色，共同構(gòu)建了一個豐富而動人的現(xiàn)代信息世界。隨著智能設(shè)備的數(shù)量迅速增加，越來越多的設(shè)備需要具有聯(lián)網(wǎng)能力，據(jù)預(yù)測，到2020年，將有超過300億的設(shè)備具有和其他設(shè)備的無線通信能力。而這其中，數(shù)目比例最大的，就是低功耗無線局域網(wǎng)設(shè)備。以智能配件為例，越來越多的設(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，諸如無線耳機麥克風(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直接相連并且接收控制的設(shè)備。據(jù)預(yù)測，2019年，藍(lán)牙設(shè)備數(shù)目將超過44億臺，這其中，低功耗藍(lán)牙占據(jù)了絕大多數(shù)。從組網(wǎng)方式來說，藍(lán)牙采用的是星型組網(wǎng)，既手機或電腦作為中心，其他設(shè)備通過藍(lán)牙協(xié)議連接至中心(圖1)。這種組網(wǎng)方式的優(yōu)點是簡單易用，而且組網(wǎng)方式清晰直觀，用戶可以通過很簡單的連接邏輯來進行設(shè)備的配對和使用。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，增強了安全機制，對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，這對于數(shù)據(jù)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(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)點之間可以直接進行數(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)。目前來說，藍(lán)牙組織最新的Mesh協(xié)議（以下簡稱BLEMesh）是一種基于網(wǎng)絡(luò)泛洪的協(xié)議，這主要是因為這種泛洪的模式簡單而易于實現(xiàn)。但是，這種實現(xiàn)方式也是利弊參半的，因為是網(wǎng)絡(luò)泛洪，不利于節(jié)點的低功耗優(yōu)化，也不利于節(jié)點數(shù)目大規(guī)模提升。圖2.藍(lán)牙Mesh網(wǎng)絡(luò)連接拓?fù)鋱D(圖片來源/，MeshProfileSpecification1.0)在低功耗無線Mesh網(wǎng)絡(luò)中，還有一個標(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，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，可以直接用來控制其他Zigbee設(shè)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(yīng)用做好了充分的準(zhǔn)備。圖4.Zigbee協(xié)議框架圖(圖片來源：/zigbee-for-developers/zigbee)和Zigbee類似的還有一個標(biāo)準(zhǔn)，叫做Thread。可以看到，Thread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(xié)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(xié)議框架圖對于Zigbee和Thread協(xié)議，恩智浦都提供了對應(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運行Zigbee/Thread以及低功耗藍(lán)牙協(xié)議。這種雙模的設(shè)計，為產(chǎn)品設(shè)計提供了更加靈活的方式。例如對于門鎖應(yīng)用，客戶可以通過手機藍(lán)牙連接門鎖進行開鎖操作，離開家之后，門鎖可以通過Zigbee網(wǎng)絡(luò)接入家庭網(wǎng)關(guān)從而接入云服務(wù)，實現(xiàn)遠(yuǎn)程門鈴，安防等諸多應(yīng)用。除了上述的低功耗無線局域網(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(yīng)用場景，比如路燈，水電表集抄，車輛管理等等。目前在國內(nèi)運營商的推動下，已經(jīng)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(shù)，需要用戶自己建設(shè)基站，但是由于采用了先進的信道編碼技術(shù)，LoRa節(jié)點的接收靈敏度可以到達(dá)-142dBm，可以實現(xiàn)超低功耗下的長距離通信，最長通信距離可以達(dá)到30公里。對于LoRa應(yīng)用，恩智浦可以提供低功耗的MCU來運行其軟件協(xié)議棧。萬物互聯(lián)，安全為先。當(dāng)物聯(lián)網(wǎng)中的節(jié)點數(shù)目達(dá)到一個驚人的量級的時候，安全問題必將成為一個關(guān)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(rèn)證芯片，引入防拆解技術(shù)，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(lián)的，并且人類可以通過各式各樣的設(shè)備無感接入。傳感節(jié)點需要低功耗，Mesh網(wǎng)絡(luò)，安全，IP可尋址，并且具有一定