如何選擇低功耗的物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)

經(jīng)常有人問我這樣的問題：面對(duì)令人眼花繚亂的各種標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)該選擇哪一種？ZigBee、Thread、藍(lán)牙網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)（Bluetooth Mesh），還是Wi-Fi？還是LoRa？還是最好等待5G和NB-IoT？

當(dāng)然，這些疑問會(huì)使人感到困惑，并阻礙物聯(lián)網(wǎng)（IoT）的普及。如圖1所示，造成這種困惑的部分原因是，我們很難確定哪種標(biāo)準(zhǔn)最合適。此外，市場(chǎng)營(yíng)銷人員對(duì)新標(biāo)準(zhǔn)的性能提出了不切實(shí)際的要求，如延遲（「小于幾毫秒！」），好像這真的有必要似的，事實(shí)并非如此。大多數(shù)應(yīng)用可以接受數(shù)秒的延遲；即使電視直播延遲了幾秒鐘，它仍然是電視直播。

圖1 無線標(biāo)準(zhǔn)適用范圍一覽。

那么，如何回答“應(yīng)該使用哪種標(biāo)準(zhǔn)？”通常，遇到這個(gè)問題時(shí)，我會(huì)反問“你依靠什么盈利？”一般來說，無線電標(biāo)準(zhǔn)不是盈利的決定性因素。對(duì)于無線電，大多數(shù)情況是「夠用就行」，是否盈利取決于無線網(wǎng)絡(luò)上運(yùn)作的應(yīng)用所創(chuàng)造的價(jià)值。無線網(wǎng)絡(luò)只是無線網(wǎng)絡(luò)，就像電線就只是電線一樣。

請(qǐng)記?。簾o論現(xiàn)在的無線標(biāo)準(zhǔn)是什么，5~10年后情況可能還會(huì)發(fā)生變化，所以升級(jí)網(wǎng)絡(luò)至關(guān)重要。但距離“終極”無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)出現(xiàn)仍需很長(zhǎng)時(shí)間。

那么，能否展望未來，預(yù)測(cè)未來的發(fā)展方向？我相信預(yù)測(cè)是可行的，但首先需要介紹一些觀點(diǎn)。

技術(shù)與心理的關(guān)系

智能型手機(jī)配備了三種無線電技術(shù)（4G、Wi-Fi和藍(lán)牙）。為什么是三種，而不是兩種（如平板計(jì)算機(jī)），或一種、四種？這是因?yàn)闊o線電種類與技術(shù)，以及我們對(duì)不同生活空間的心理態(tài)度有關(guān)，讓我進(jìn)一步解釋。

首先，技術(shù)。在很大程度上，無線電性能取決于三個(gè)因素：

˙范圍（距離基地臺(tái)的距離，如發(fā)射塔、路由器、熱點(diǎn)等）；

˙數(shù)據(jù)速率（從簡(jiǎn)單的語音通話到觀看視訊）；

˙電池壽命（越長(zhǎng)越好）。

第四個(gè)因素通常是成本，有一個(gè)簡(jiǎn)單的原則：“越多越貴”。換句話說，更大的范圍通常成本更昂貴；同樣的道理也適用于更高的數(shù)據(jù)速率和更長(zhǎng)的電池壽命。然而，從技術(shù)上講，一切皆有可能，可以只配備一種無線電；這種方式不一定經(jīng)濟(jì)高效，但你可以選擇。

還有一個(gè)極端的例子。試想一下，用無線（藍(lán)牙）耳機(jī)聽手機(jī)音樂，耳機(jī)直接與手機(jī)連接，而不與蜂巢網(wǎng)絡(luò)連接。然而，從技術(shù)上講，也可以將手機(jī)和耳機(jī)都連接到蜂巢網(wǎng)絡(luò)，然后讓音樂從手機(jī)經(jīng)過蜂巢網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)蕉鷻C(jī)。

另一個(gè)例子是：當(dāng)在家中用計(jì)算機(jī)在Wi-Fi打印機(jī)上打印文件時(shí)，是否認(rèn)為這份文件從計(jì)算機(jī)直接透過無線傳輸?shù)酱蛴C(jī)上？從技術(shù)上講，這是可能的（例如，透過藍(lán)牙或Wi-Fi Direct連接），但也有可能透過Wi-Fi連接到家庭路由器，并從家庭路由器經(jīng)過Wi-Fi連接到打印機(jī)。還可以將打印命令發(fā)送到云端，將文件直接從云端服務(wù)器經(jīng)過電纜（或光纖）網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)郊彝ヂ酚善?，然后無線傳輸?shù)酱蛴C(jī)。使用有線和無線網(wǎng)絡(luò)組合傳輸信息的方法不計(jì)其數(shù)，坦白來說，我們已經(jīng)迷失了方向，細(xì)節(jié)也變得無關(guān)緊要?？傊?，只要正常運(yùn)作，各種方法都可以接受。

其次，我們?nèi)绾误w驗(yàn)空間？這與技術(shù)關(guān)系不大，而更多與心理學(xué)相關(guān)。從最小的層面來說，我們首先體驗(yàn)的是個(gè)人空間。是否曾經(jīng)有人談話時(shí)離太近，使你感到不舒服？如果有這樣的經(jīng)歷，一定能明白我說的“個(gè)人空間”是什么意思。個(gè)人空間就像與你如影隨形的彈性氣泡，大小經(jīng)常會(huì)發(fā)生變化；如果身處繁忙的地鐵，個(gè)人空間要比在餐館或辦公室小得多。

利用聲音或視覺能夠達(dá)到的距離也可能構(gòu)成空間。此類空間可能是家或辦公室。與外面的世界相比，這里屬于私人領(lǐng)地。我們有時(shí)會(huì)區(qū)分不同的空間，如室內(nèi)和室外，或私人和公共空間。此外，還有由政府所有和管理的室外公共空間。

如果把這三個(gè)空間與手機(jī)的三種無線電對(duì)應(yīng)起來，就會(huì)帶來一種連續(xù)性：藍(lán)牙無線電適合個(gè)人空間（我們的氣泡），Wi-Fi適合私人空間，3G/4G，以及即將到來的5G適合公共空間的連接。巧合？也許不是。曾經(jīng)參與“標(biāo)準(zhǔn)之戰(zhàn)”的人都知道，并不存在最高委員會(huì)能夠決定如何對(duì)三個(gè)空間劃分不同的無線電和標(biāo)準(zhǔn)，一切標(biāo)準(zhǔn)都是約定俗成的。

過去20~30年中，每種標(biāo)準(zhǔn)都試圖爭(zhēng)奪更大的使用空間，其中一些戰(zhàn)斗延續(xù)至今。新一代公共空間標(biāo)準(zhǔn)5G聲稱其在室內(nèi)運(yùn)作良好，有可能淘汰Wi-Fi；藍(lán)牙最初對(duì)Wi-Fi室內(nèi)市場(chǎng)虎視眈眈（從未成功），而Wi-Fi一直試圖用Wi-Fi Direct取代藍(lán)牙市場(chǎng)。盡管Wi-Fi Direct并沒有取得優(yōu)勢(shì)性勝利，但也沒有消亡，Wi-Fi Direct在無人機(jī)領(lǐng)域發(fā)現(xiàn)了有利的小眾市場(chǎng)。

再聯(lián)想到物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)

所以，到目前為止，我們至少了解了為何手機(jī)需要配置三種無線電，以及它們?nèi)绾闻c我們的“空間”體驗(yàn)方式無縫連接。但是面對(duì)種類繁多的低功耗物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)，應(yīng)該如何選擇？首先，應(yīng)了解低功耗標(biāo)準(zhǔn)的市場(chǎng)。

低功耗標(biāo)準(zhǔn)的真正目的是在不影響范圍的情況下延長(zhǎng)電池壽命，而不是提高數(shù)據(jù)速率。通常，低功耗標(biāo)準(zhǔn)用于將設(shè)備（如傳感器）連接到網(wǎng)絡(luò)（IoT），以共享傳感器數(shù)據(jù)，而這一過程所需的數(shù)據(jù)速率比「正?！挂蛱鼐W(wǎng)使用或觀看視訊所需的數(shù)據(jù)速率要低幾個(gè)數(shù)量級(jí)。所以，本質(zhì)上，低功耗標(biāo)準(zhǔn)利用犧牲數(shù)據(jù)速率來延長(zhǎng)電池壽命。

有趣的是，這些低功耗標(biāo)準(zhǔn)也開始涉及上文提到的三種范圍：

˙用于個(gè)人空間：低功耗藍(lán)牙（有時(shí)稱藍(lán)牙低功耗，簡(jiǎn)稱BLE）；

˙用于我們的私人空間（如家、辦公室或熱點(diǎn)）：ZigBee（IEEE 802.15.4）；

˙用于公共空間：NB-IoT/Cat-X作為4G/5G的一部分。

所以，能為各類標(biāo)準(zhǔn)指明發(fā)展方向、平息激烈產(chǎn)業(yè)討論的答案也許是圖2。

圖2 不同范圍所用無線標(biāo)準(zhǔn)推薦。

這種低功耗/感測(cè)和控制兼容非常有意義，因?yàn)樗鼘?duì)應(yīng)我們的體驗(yàn)空間，以及智能手機(jī)上的三種無線電。

這對(duì)未來而言意味著什么？

然而，沒有什么是確定不變的，展望未來是一項(xiàng)冒險(xiǎn)的工作。各種技術(shù)繼續(xù)嘗試進(jìn)入「其他空間」，市場(chǎng)上也正在推行幾項(xiàng)計(jì)劃。包括最大限度地重用現(xiàn)有技術(shù)，或進(jìn)行簡(jiǎn)單嘗試（例如，NB-IoT/Cat-X也可以用于室內(nèi)網(wǎng)絡(luò)嗎？）。類似地，有人嘗試將BLE擴(kuò)展到網(wǎng)絡(luò)空間，并增加網(wǎng)格功能來取代ZigBee，就像20年前藍(lán)牙試圖取代Wi-Fi一樣。這些努力可能不會(huì)成功，但是各大公司還是為此投入了大量資金。

值得注意的是，在局域（室內(nèi)）和廣域（公共區(qū)域）之間可能存在第四個(gè)領(lǐng)域。部分大型室外空間仍然是半私用的，如校園、港口、機(jī)場(chǎng)和會(huì)議中心。所以，問題在于：是否需要為「中間」域設(shè)立一種新標(biāo)準(zhǔn)？未來會(huì)告訴我們答案。也許現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)將變得夠靈活（并且具有成本效益），能夠滿足這種空間需求，或出現(xiàn)更合適的新標(biāo)準(zhǔn)。值得注意的是，作為一種偽室外標(biāo)準(zhǔn)，LoRa在私人和公共區(qū)域之間的中間域顯現(xiàn)出了一定的優(yōu)勢(shì)，尤其是在港口和機(jī)場(chǎng)。

開放標(biāo)準(zhǔn)與專有標(biāo)準(zhǔn)

接下來，本文將介紹開放標(biāo)準(zhǔn)和專有標(biāo)準(zhǔn)之間的角色。歷史證明，開放通訊標(biāo)準(zhǔn)往往比封閉標(biāo)準(zhǔn)更加成功。Wi-Fi將HomeRF擠出了市場(chǎng)；同樣，BLE淘汰了ANT+。

但其他標(biāo)準(zhǔn)仍處在激烈競(jìng)爭(zhēng)之中，如ZigBee、Thread和Z-Wave（Silicon Labs）。然而，ZigBee和Thread都是基于開放的IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)（就像Wi-Fi是基于IEEE 802.11標(biāo)準(zhǔn)一樣），而Z-Wave是專有、封閉標(biāo)準(zhǔn)。鹿死誰手尚未可知，但很可能是ZigBee/Thread的結(jié)合；這兩種標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)使用了相同的應(yīng)用層軟件（Dotdot），唯一的區(qū)別是網(wǎng)絡(luò)層軟件。

高數(shù)據(jù)速率與低功耗

對(duì)于涉足其他領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)，值得注意的是，Wi-Fi（高數(shù)據(jù)速率）和ZigBee（低功耗）之間的界限也并不明確。從應(yīng)用空間的角度來看，有些需要更高數(shù)據(jù)速率的應(yīng)用同時(shí)需要使用電池，因此也需要低功耗。

一段時(shí)間以來，人們一直致力于降低Wi-Fi的功耗。IEEE 802.11ah就是一個(gè)例子，盡管它似乎不可行，因?yàn)樗贕Hz以下的頻段運(yùn)作，缺乏一致性；全球不同的地區(qū)需要不同的無線電技術(shù)。然而，如果Wi-Fi 4（11n）和Wi-Fi 5（11ac）功率降得夠低，換句話說，電池壽命足夠長(zhǎng)，其低功耗版本可能成為ZigBee的替代品。

總結(jié)

以上就是無線電開發(fā)人員需要了解的未來發(fā)展趨勢(shì)和重點(diǎn)。然而，前述規(guī)律始終不變：歸根到底，為最終用戶創(chuàng)造價(jià)值的是應(yīng)用的實(shí)用性，而不是無線網(wǎng)絡(luò)。時(shí)間只會(huì)告訴我們哪些標(biāo)準(zhǔn)是最成功的，但是如果現(xiàn)在就知道如何盈利，便無需繼續(xù)等待。