大型生產場景中涉及大量的設備、生產應用系統、工人和產品，穩定、高速、易管理的無線網絡是必不可少的需求。

工業物聯網的無線通信技術主要分為兩類：一類是ZigBee、WiFi、藍牙等短距離通信技術；另一類是LPWAN(low-power Wide-Area Network)，即低功耗廣域網通信技術。LPWAN又分為兩類：一類是工作于未授權頻譜的LoRa、SigFox等技術；另一類是工作于授權頻譜下，3GPP支持的2/3/4G蜂窩通信技術，比如EC-GSM、LTE Cat-m、NB-IoT等。

不同的無線技術在組網、功耗、通訊距離、安全性等方面各有差別，因此擁有不同的適用場景。例如，Sub-1GHz技術適用于傳輸距離遠、電池供電、須具備強健性的應用環境；藍牙適合高速、傳輸更多信息、通過手機控制的狀況；Thread、Wi-Fi等技術也有各自的優勢與適用情境。

工業4.0應用場景中的無線連接

值得注意的是，新的無線技術標準也在不斷涌現。例如，作為傳統WiFi技術的擴展和補充，Wi-Fi HaLow可提供獨特的安全、遠距離、低功耗和高度優化的無線連接組合，極大地提升了工廠自動化的管理效率。

工業物聯網中不同無線技術的性能比較

工業物聯網中不同無線技術的傳輸速率與距離

工業物聯網中不同無線技術的接收效率和距離

下面分別列出了工業物聯網中常見的幾種無線技術：ZigBee、藍牙、Lora、NB-IoT、Sigfox，以及最新的WiFi Halow技術。

ZigBee技術

ZigBee被正式提出來是在2003年，它的出現是為了彌補藍牙通信協議的高復雜、功耗大、距離近、組網規模太小等缺陷。名稱取自蜜蜂，蜜蜂(Bee)是靠飛翔和“嗡嗡”(zig)地抖動翅膀的“舞蹈”來與同伴傳遞花粉所在的方位信息，依靠這樣的方式構成了群體中的通信網絡。

ZigBee可工作在三個頻段868MHz~868.6MHz、902MHz~928MHz和2.4GHz~2.4835GHz，其中最后一個頻段世界范圍內通用，16個信道，為免付費、免申請的無線電頻段。三個頻段傳輸速率分別為20kbps、40kbps以及250kbps。

 

ZigBee是低成本、低功耗、低功率的短距離無線通信標準，是專為低速率傳感器和控制網絡而設計的無線網絡規范，具有如下特點：

• 低功耗：由于ZigBee的傳輸速率低，發射功率僅為1mW，而且采用了休眠模式，因此ZigBee設備非常省電。據估算，ZigBee設備僅靠兩節5號電池就可以維持長達6個月到2年左右的使用時間，其他無線設備望塵莫及。
• 成本低：ZigBee模塊的初始成本在6美元左右，估計很快就能降到1.5~2.5美元, 并且ZigBee協議免專利費。
• 復雜性低：ZigBee協議的大小一般在4~32KB，而藍牙和WiFi一般都超過100KB。
• 時延短：通信時延和從休眠狀態激活的時延非常短，典型的搜索設備時延為30ms，休眠激活的時延是15ms, 活動設備信道接入的時延為15ms。因此ZigBee技術適用于對時延要求苛刻的無線控制(如工業控制場合等)應用。
• 網絡容量大：一個星型結構的ZigBee網絡最多可以容納254個從設備和一個主設備， 一個區域內最多可以同時存在100個ZigBee網絡, 一個網絡中最多可以有65000個節點連接，網絡組成靈活。
• 可靠：采取了碰撞避免策略，為需要固定帶寬的通信業務預留了專用時隙，避開了發送數據的競爭和沖突。MAC層采用完全確認的數據傳輸模式， 每個發送的數據包都必須等待接收方的確認信息。如果傳輸過程中出現問題可以進行重發。
• 安全：ZigBee提供了基于循環冗余校驗(CRC)的數據包完整性檢查功能，支持鑒權和認證，采用AES-128的加密算法，各個應用可以靈活確定其安全屬性。

ZigBee雖然具有低功耗、低成本，低速率、高容量、長電池壽命等優點，但也有缺點，即抗干擾性差，通信距離短，而且ZigBee協議沒有開源。

藍牙技術

藍牙技術最早始于1994，由電信巨頭愛立信公司研發，是在兩個設備間進行無線短距離通信的最簡單、最便捷的方法，可實現固定設備、移動設備和樓宇個人域網之間的短距離數據交換。藍牙技術被廣泛地用于手機、PDA等移動設備，PC、GPS設備，以及大量的無線外圍設備(藍牙耳機、藍牙鍵盤等)。

藍牙采用跳頻技術，通信頻段為2.402GHz~2.480GHz。截止目前為止已經更新了10個版本，分別為藍牙1.0/1.1/1.2/2.0/2.1/3.0/4.0/4.1/4.2/5.0，通信半徑從幾米到幾百米延伸。

相比之前的藍牙4.2甚至更老的版本，藍牙5.0有如下特點：

• 更快的傳輸速度：速度上限為2Mbps，是之前4.2LE版本的2倍。
• 更遠的有效距離：有效距離是上一版本的4倍。理論上，藍牙發射和接收設備之間的有效工作距離可達300米。
• 導航功能：添加了更多的導航功能，可以作為室內導航信標或類似定位設備使用，結合WiFi可以實現精度小于1米的室內定位。
• 更多的傳輸功能：增加了更多的數據傳輸功能，硬件廠商可以通過藍牙5.0創建更復雜的連接系統，比如Beacon或位置服務。
• 更低的功耗：大大降低了功耗，人們在使用藍牙的過程中再也不必擔心待機時間的問題。

藍牙技術的主要優點是不依賴于外部網絡、速率快、低功耗，安全性高。只要有手機和智能設備，就能保持穩定的連接，走到哪連到哪。其缺點是不能直接連接云端，傳輸速度比較慢，組網能力比較弱，而且網絡節點少，不適合多點布控。

LoRa技術

LoRa是美國Semtech公司開發和推廣的一種基于擴頻技術的超遠距離、低功耗無線傳輸方案，為用戶提供了一種能實現遠距離、長電池壽命、大容量的簡單系統，進而擴展傳感網絡。目前LoRa 主要在全球免費頻段運行，工作頻率在美國是915MHz，在歐洲是868MHz，在亞洲是433MHz。其典型范圍是2km至5km，最長距離可達15km，具體取決于所處的位置和天線特性。

LoRa技術具有如下特點：

• 低功耗：通信距離可達15公里，接受電流僅10mA，睡眠電流200nA，延長了電池的使用壽命。
• 大容量：在建筑密集的城市環境可以覆蓋2公里左右，而在密度較低的郊區覆蓋范圍可達10公里。
• 支持測距和定位：LoRa對距離的測量是基于信號的空中傳輸時間，定位則基于多點(網關)對一點(節點)空間傳輸時間差的測量，定位精度可達5m(假設10km的范圍)。

因此，LoRa技術非常適于要求低功耗、遠距離、大量連接以及定位跟蹤等的物聯網應用，如能停車、車輛追蹤、智慧工業、智慧城市、智慧社區等。

LoRa的缺點是傳輸速率慢，通信頻段易受干擾，芯片供應被Semtech壟斷，從底層開發周期較長，以及自組網的網絡機制較為復雜，因此一般公司不愿研究LoRa技術，更愿意買模塊直接用。

NB-IoT技術

NB-IoT(窄帶物聯網)技術起源于一家英國新創公司Neul(2014年被華為收購)，聚焦于低功耗廣覆蓋物聯網(IoT)市場。

與使用標準LTE的全部10MHz或20MHz帶寬不同，NB-IoT使用包含12個15kHz LTE子載波的180kHz寬的資源塊，數據速率在100kb/s到1Mb/s范圍之內。

NB-IoT使用授權頻段，可采取帶內、保護帶或獨立載波等三種部署方式，與現有網絡共存。

作為一項應用于低速率業務的技術，NB-IoT的優勢主要有：

• 低功耗：NB-IoT犧牲了速率，卻換回了更低的功耗。采用簡化的協議，更合適的設計，大幅提升了終端的待機時間，部分NB終端的待機時間號稱可以達到10年!
• 低成本：與LoRa相比，NB-IoT無需重新建網，射頻和天線基本上都可以復用。低速率、低功耗、低帶寬同樣給NB-IoT芯片以及模塊帶來低成本優勢，模塊價格不超過5美元。
• 海量連接：在同一基站的情況下，NB-IoT可比現有無線技術提供50~100倍的接入數。一個扇區能夠支持10萬個連接，支持低延時敏感度、超低的設備成本、低設備功耗和優化的網絡架構。
• 廣覆蓋：NB-IoT室內覆蓋能力強，在同樣的頻段下，NB-IoT比現有的網絡增益20dB，相當于提升了100倍覆蓋區域的能力。

雖然NB-IoT具有很多優點，但其低速數據傳輸、隱私和安全、IT系統的轉換時間等問題，都將限制其發展。

Sigfox技術

Sigfox源自法國的Sigfox公司以超窄帶(UNB，Ultra Narrow Band)技術建設的無線網絡，既是一種無線技術，也是一種網絡服務。

Sigfox工作在868MHz和902MHz的ISM頻段，消耗很窄的帶寬或功耗。

Sigfox無線電設備采用一種被稱為超窄帶(UNB)調制的技術，偶爾以低數據速率傳送短消息，消息最長是12個字節，一個節點每天可以傳送的消息數量最多140條。由于是窄帶寬和短消息，因此除了其162dB的鏈路預算外，還可以達到數公里的長傳輸距離。對于僅需發送較小的不頻繁數據的突發應用，Sigfox是絕佳選擇。

Sigfox的缺點是數據發送回傳感器/設備(下行鏈路能力)受到嚴重限制，信號干擾也可能成為問題。

HaLow技術

連接不穩，效率不高，時段時續，這些一直是WiFi技術讓人頭疼的問題。

HaLow是適合工業物聯網應用的新版WiFi，代號是802.11ah，它使WiFi可以應用到更多地方，如小尺寸、電池供電的可穿戴設備，同時也適用于工業設施內的部署，以及介于兩者之間的應用。

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HaLow采用900MHz頻段，低于當前WiFi的2.4GHz和5GHz頻段，更適合小量數據負荷以及低功耗設備。美國使用902MHz至928MHz的免許可頻段， 其它國家使用1GHz以下的類似頻段。雖然大多數WiFi設備在理想條件下最大只能達到100m的覆蓋范圍，但HaLow在使用合適天線的情況下可以遠達1km，信號更強，且不容易被干擾。HaLow號稱傳輸距離是標準2.4GHz WiFi的兩倍，而且穿墻能力更強。

HaLow不適于快速傳輸數據，也不適合網頁瀏覽(這對物聯設備影響不大)。另外，900MHz是未經授權的頻段，容易受到干擾。

工業物聯網無線技術參數比較

哪種技術將勝出?

據市場研究機構IHS Markit的最新報告，在低功耗廣域網無線技術中，LoRa與NB-IoT可說是遙遙領先，LTE-M版本的4G蜂窩技術位居第三名，Sigfox緊隨其后。

IHS Markit預測，NB-IoT與LoRa到2023年可望占據所有LPWAN鏈路的86%，2023年將會是這兩種技術的競爭，其中更多私有網絡將采用LoRa，NB-IoT則主要應用于公共網絡。

值得一提的是，華為旗下的海思(HiSilicon)是目前NB-IoT芯片的領導供貨商，其中有九成布署于中國;排名第二的NB-IoT芯片供貨商是臺灣的聯發科(Mediatek)，第三大供貨商則是中國的紫光展銳(Unisoc)。

而Sigfox主要依靠一家創投公司支持，成為全球物聯網運營商并保持技術專有。IHS Markit的調查報告顯示，2017年Sigfox的出貨量還不到9,000個模塊，市占率排名第三，遠遠落后于LoRa和NB-IoT。IHS Markit預測Sigfox的年銷售可望在2021年時成長10倍，但仍位居LoRa和NB-IoT之后。

與此同時，藍牙聯盟和Wi-Fi聯盟都使出了自己的大招。藍牙 5.0 提升的信號覆蓋范圍號稱能覆蓋整棟公寓，足以媲美家用 WiFi 路由器的數據傳輸距離。HaLow則融合了以前WiFi技術與藍牙的優點。

在工業物聯網中，客戶的需求是豐富多樣的，單一技術無法解決客戶的所有問題。不同的無線技術彼此競爭，同時又互為補充，因為工業物聯網的未來，沒有一種通信技術能夠一統天下。