低功耗无线通信技术的应用和展望

本文作者：弋方 恩智浦半导体大中华区微控制器事业部市场经理

近年来，无线技术迅速发展，尤其在消费类场景里，各种应用层出不穷，本文主要探讨主流低功耗无线技术的应用和展望。

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。这些标准各有所长，在各自的领域里扮演着重要的角色，共同构建了一个丰富而动人的现代信息世界。

随着智能设备的数量迅速增加，越来越多的设备需要具有联网能力，据预测，到2020年，将有超过300亿的设备具有和其他设备的无线通信能力。而这其中，数目比例最大的，就是低功耗无线局域网设备。

以智能配件为例，越来越多的设备支持蓝牙协议。蓝牙协议，分为经典蓝牙和低功耗蓝牙，经典蓝牙适用于音频流媒体传输，诸如无线耳机麦克风等，低功耗蓝牙适用于遥控器，手环，灯，家电等需要和智能手机直接相连并且接收控制的设备。据预测，2019年，蓝牙设备数目将超过44亿台，这其中，低功耗蓝牙占据了绝大多数。

从组网方式来说，蓝牙采用的是星型组网，既手机或电脑作为中心，其他设备通过蓝牙协议连接至中心(图1)。这种组网方式的优点是简单易用，而且组网方式清晰直观，用户可以通过很简单的连接逻辑来进行设备的配对和使用。

图1. 蓝牙星型网络连接

目前低功耗蓝牙的最新版本规范是BLE 4.2和BLE 5.0。在BLE 4.2规范中，增强了安全机制，对于涉及电子支付的应用和安防应用，这是非常有必要的。BLE 5.0规范中，增加了2Mbps模式，这对于数据传输速率是一个不小的提升，除此之外，还增加了一些新的特性。恩智浦作为一家领先的半导体公司，在低功耗蓝牙领域，最新的产品可以支持BLE4.2 规范和BLE 5.0，广泛应用于消费类，工业类，医疗类等诸多领域。

而随着智能家居的发展，这种星型组网方式也暴露出了局限性，因而，需要一种全新的组网方式，既Mesh网络（网格网络）。在Mesh网络中，节点之间可以直接进行数据的传输，这样有效地提高了工作效率，并且在复杂室内环境中有了更好的表现。

目前来说，蓝牙组织最新的Mesh协议（以下简称BLE Mesh）是一种基于网络泛洪的协议，这主要是因为这种泛洪的模式简单而易于实现。但是，这种实现方式也是利弊参半的，因为是网络泛洪，不利于节点的低功耗优化，也不利于节点数目大规模提升。

图2. 蓝牙Mesh网络连接拓扑图(图片来源/www.bluetooth.com，Mesh Profile Specification 1.0)

在低功耗无线Mesh网络中，还有一个标准，叫做Zigbee。Zigbee是天然的Mesh网络，和BLE Mesh网络不同之处在于，Zigbee是基于路由协议的，这一点，比BLE Mesh更胜一筹。我们看到，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，可以直接用来控制其他Zigbee设备如照明灯。

图3. Amazon echo plus. (图片来源：www.amazon.com )

Zigbee目前最新的版本是zigbee 3.0，这个版本，将互操作性和兼容性提升到了一个新的高度，为智能家居等应用做好了充分的准备。

图4. Zigbee协议框架图(图片来源：www.zigbee.org/zigbee-for-developers/zigbee )

和Zigbee类似的还有一个标准，叫做Thread。可以看到，Thread和Zigbee采用的相同的物理层即IEEE802.15.4。Thread的不同点在于其基于IPv6路由协议，每一个节点具有一个IPv6地址，这样做的优势在于节点可以方便地被云端所寻址。

图5. Thread协议框架图

对于Zigbee和Thread协议，恩智浦都提供了对应的单芯片解决方案，甚至还提供了一种多模解决方案，可以在同一芯片上同时运行Zigbee/Thread以及低功耗蓝牙协议。这种双模的设计，为产品设计提供了更加灵活的方式。例如对于门锁应用，客户可以通过手机蓝牙连接门锁进行开锁操作，离开家之后，门锁可以通过Zigbee网络接入家庭网关从而接入云服务，实现远程门铃，安防等诸多应用。

除了上述的低功耗无线局域网协议外，还有若干低功耗广域网技术，比如NB-IoT和LoRa。

NB-IoT主要利用运营商的基站，可以提供低功耗低速率的连接，在智慧城市中有大量的应用场景，比如路灯，水电表集抄，车辆管理等等。目前在国内运营商的推动下，已经有城市进行了规模化的商业运行，并取得了不错的成效。

LoRa技术，需要用户自己建设基站，但是由于采用了先进的信道编码技术，LoRa节点的接收灵敏度可以到达-142dBm，可以实现超低功耗下的长距离通信，最长通信距离可以达到30公里。对于LoRa应用，恩智浦可以提供低功耗的MCU来运行其软件协议栈。

万物互联，安全为先。

当物联网中的节点数目达到一个惊人的量级的时候，安全问题必将成为一个关键环节。要解决安全问题，必须从多方面综合考虑，比如添加安全认证芯片，引入防拆解技术，增加安全启动，进行通信加密等。

展望前景

未来的世界一定是一个充分互联的，并且人类可以通过各式各样的设备无感接入。传感节点需要低功耗，Mesh网络，安全，IP可寻址，并且具有一定的节点运算能力来实现边缘计算，云端则需要基于人工智能来实现数据建模与分析，并最终进行决策和执行。

就低功耗无线网络而言，应用场景的复杂性，决定了没有哪一种网络可以适用于所有场景，在未来很长一段之间之内，本文提到的各个标准将会共存。