【技术】浅析主流低功耗无线技术:BLE,蓝牙MESH,ZigBee和Thread协议,LPWAN技术

2018-03-28 世强

近年来,低功耗无线技术迅速发展,尤其在IOT应用场景中,各种应用层出不穷。从通信距离和组网方式来说,分为局域网和广域网;从应用场景来说,又分为高速率的多媒体音视频、中等速率的无线音频流媒体、低速率的控制传感数据。但是在产品开发时,如何为应用产品选择正确的网状网络技术是非常重要的,本文主要探讨主流低功耗无线技术。


低功耗蓝牙(BLE)和蓝牙MESH


蓝牙协议分为经典蓝牙和低功耗蓝牙(BLE),经典蓝牙适用于音频流媒体传输,如无线耳机、麦克风等,低功耗蓝牙适用于遥控器、手环、灯和家电等需要和智能手机直接相连接收控制的设备。目前BLE支持的组网方式有:Beacon,点到点,星状网,扩展星状网和网状网,如图一。


图一:BLE拓扑结构


BLE的工作频率是2.4GHz,蓝牙规范中定义了40个RF通道,通道间隔2MHz,其中3个通道是广播通道(图二绿色通道),用于发现设备、建立连接和广播等。而在BLE 5规范中,剩余的37个通道既可以用于数据传输也可以用于广播通道。相比于BLE 4.2之前规范中定义的数据速率是1Mbps,BLE 5增加了一个2Mbps的PHY,数据吞吐率可以提高到1.4Mbps。另外,BLE 5的发射功率提升到了100mW(20dBm)。


图2:低功耗蓝牙频率和通道


MESH是蓝牙低功耗(Bluetooth LE)的一种全新网络拓扑结构选择,于2017年夏季推出。它代表蓝牙技术的一项重要进展,将蓝牙定位为包括智能楼宇和工业物联网在内的各大新领域和新用例的主流低功耗无线通信技术。蓝牙MESH协议是一种基于网络泛洪管理的协议,泛洪的模式简单而易于实现。蓝牙MESH网络通过中继功能解决单点故障问题,它包括中继功能、低功耗功能、友邻功能和代理功能。蓝牙MESH网络最大的优势是支持手机连接,然而现在的手机不支持蓝牙MESH,因此蓝牙MESH网络需要至少一个代理节点来实现和手机的通信。低功耗节点(图3中黄色节点)是指低功耗设备处于睡眠状态时,需要有朋友节点(图3中节点O、P)帮助存储请求数据,这样就可以保证所有信息都被收到。边缘节点(图3中蓝色节点)是指没有中继功能的周围节点。如果网络中中继节点太多,不停重发会导致无线频谱无法支撑,而导致整个网络瘫痪。蓝牙MESH网络通过增加边缘节点选项进行改善。


图3:蓝牙MESH网络拓扑图


Silicon Labs为蓝牙MESH应用提供了Blue Gecko产品组合,开发者可以选择SOC芯片或者模块(SIP或PCB模块)进行开发。EFR32BG13 Blue Gecko的Flash容量(512KB)和RAM(64KB)大小最合适蓝牙MESH网络应用,能够满足OTA更新,同时它提供时钟功能,其集成的高精度低频RCO可以用来取代外部32.768KHz晶振。


图4:Blue Gecko产品组合


ZigBee和Thread协议

ZigBee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗个域网协议,其支持3个工作频段,分别是2.4GHz、欧洲的896MHz以及美国915MHz,在不同的频段数据传输率和信道数不同,如图5。


图5:ZigBee频带和数据传输率


ZigBee的信道分布如图6,在 2.4G 的频段上具有 16 个信道,从2.405GHz — 2.480GHz间分布,信道间隔是5MHz,具有很强的信道抗串扰能力。


图6,ZigBee物理信道


ZigBee是天然的MESH网络,和蓝牙MESH网络不同之处在于,ZigBee是基于路由协议的,这一点使得ZigBee更适合于组建大规模网络应用,具有非常强大的组网优势。在目前诸多物联网应用中,ZigBee已经大放异彩,比如Amazon最新的产品Echo Plus已经全面支持ZigBee,可以直接控制其他ZigBee设备,如照明灯。最新的ZigBee 3.0将ZigBee联盟处于市场领先地位的多个无线标准统一为单一标准,它能实现众多智能设备之间的无缝互操作。ZigBee 3.0基于IEEE 802.15.4标准,2.4 GHz频段(868MHz和915MHz不在支持),并且使用ZigBee PRO标准网络层协议,即使最小、功耗最低的设备也能实现可靠的通信。新版本将互操作性和兼容性提升到了一个新高度,为智能家居等应用做好了充分的准备。


Thread协议是和ZigBee类似的一个标准,它和ZigBee采用相同的物理层即IEEE802.15.4,不同点在于其是基于简化版IPv6的网状网络协议,因此Thread的优势在于节点可以方便地被云端所寻址。


Silicon Labs的Wireless Gecko产品组合可以完全支持ZigBee3.0和Thread,Mighty Gecko系列产品不仅提供单芯片解决方案,还提供了多协议的解决方案,可以在同一芯片上同时运行ZigBee/Thread以及低功耗蓝牙协议。这种多协议的设计,为产品设计提供了更加灵活的方式。

图7:Silicon Labs Wireless Gecko产品


低功耗广域网LPWAN技术

除了上述的低功耗无线局域网协议外,还有低功耗广域网(LPWAN)技术,比如NB-IoT和LoRa。NB-IoT主要利用运营商的基站,与使用标准LTE的全部10MHz或20MHz带宽不同,NB-IoT使用包含12个15KHz LTE子载波的180KHz宽的资源块。数据速率在100kb/s到1Mb/s范围之内。这种更加简化的标准可以为联网设备提供很低的功耗,在智慧城市中有大量的应用场景,比如路灯、车辆管理等。世强有代理龙尚NB-IoT模块。


LoRa(长距离)是由Semtech公司开发的一种技术,典型工作频率在美国是915MHz,在欧洲是868MHz,在亚洲是433MHz,需要用户自己建基站。LoRa的物理层(PHY)使用了一种独特形式的带前向纠错(FEC)的扩频技术,可以实现低功耗下的长距离通信。LoRa技术具有远距离、低功耗(电池寿命长)、多节点、低成本的特性。

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  • snow Lv3 . 高级工程师 2018-10-27
    好东西
  • sdlibin007 Lv4 . 资深工程师 2018-10-27
    讲解比较详细,值得细看
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