為工業(yè)應用中的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)(IIoT)設備選擇通信方法時必須考慮以下幾個因素：最大吞吐量、距離范圍、部署區(qū)域的可用性以及能源消耗。本文討論了主要的通信協(xié)議及其對能源消耗的影響。

IIoT 應用包含連接到傳感器節(jié)點的傳感器組。傳輸時間由兩個節(jié)點之間的距離、數(shù)據(jù)速率和信息大小決定，所有這些都會對能源優(yōu)化產(chǎn)生影響。事實上，數(shù)據(jù)速率越高，接收/傳輸數(shù)據(jù)所需的時間就越短，能耗也隨之降低。傳感器節(jié)點通常是電池供電的設備，其使用壽命受電池技術、設計及制造質(zhì)量等多個外部因素影響。

采用無線連接解決方案可為設備提供極低的能耗，同時保持快速傳輸大量數(shù)據(jù)的能力，無論距離遠近，確保經(jīng)濟可行性。

工業(yè)應用中使用的無線通信技術：

如下圖所示，工業(yè)應用中的無線網(wǎng)絡通常分為三類：無線個人局域網(wǎng) (WPAN)、無線局域網(wǎng) (WLAN) 及無線廣域網(wǎng) (WWAN)。

無線連接技術

WPAN 覆蓋范圍通常為大約 100 米。此類設備的 BLE、ZigBee、NFC 及 Thread 連接通常具有低無線電傳輸能耗，并且使用的電池較小。大多數(shù)情況下，這些設備處于睡眠模式。一旦有事件發(fā)生，設備便會喚醒，并發(fā)送短消息給網(wǎng)關、PC 或智能手機。典型 BLE 模塊的最大/峰值功耗為 39mA 或更低，而平均功耗約為9 μA。其有效功耗僅為傳統(tǒng)藍牙技術的十分之一。在低負載周期應用中，紐扣電池可確?？煽窟\行 5-10 年。

WLAN 的覆蓋范圍通常可達 1000 米。Wi-Fi 是最常見的標準。802.11 ax 是最新一代 Wi-Fi 標準之一，也稱為 Wi-Fi 6。Wi-Fi 6 提供更高的數(shù)據(jù)速率和容量(高達 9.6 Gbps)，可在2.4 GHz 和 5 GHz 頻譜上運行。Wi-Fi 6 還引入了一項新技術，可優(yōu)化客戶端的功耗需求。目標喚醒時間 (TWT) 允許接入點和客戶端通過協(xié)商確定接收器確切的喚醒時間，以接收發(fā)送方傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，從而減少功耗。

WWAN 的覆蓋范圍通?？蛇_ 100 千米。蜂窩技術(2G、3G 和 4G)用于遠程設備連接。目前正在部署的 5G 技術保證了高帶寬和極低的延遲，這將有利于其被廣泛采用。蜂窩連接一直以來專注于覆蓋范圍和帶寬，但往往以犧牲能耗為代價。設備產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)很難快速處理，同時數(shù)據(jù)在連接設備間傳輸?shù)耐笛舆t也很高。然而，5G 等新型蜂窩技術傳輸數(shù)據(jù)的速度比 4G 快 10 倍，有望實現(xiàn)超低延遲和更低功耗。

低功耗廣域網(wǎng) (LPWAN) 技術非常適合機器對機器通信 (M2M) 和 IoT 設備的特定需求。該技術具備低功耗特性，且長距離傳輸能力突出，農(nóng)村地區(qū)范圍可達 10-50 千米，城市地區(qū)則為 1-10 千米。該網(wǎng)絡可在許可頻譜(NB-IoT 和 LTE-M)和非許可頻譜(Sigfox 和 LoRa)中工作。

LTE-M 針對更高帶寬和移動連接進行了優(yōu)化。它在上行和下行鏈路上都減少了1.4 MHz的設備帶寬，最大傳輸功率減少了20 dBm， FDD(頻分雙工)的LTE覆蓋范圍提高了15 dB，并增強了LTE DRX周期，實現(xiàn)了更長的非活動周期，從而優(yōu)化了電池壽命。NB-IoT 提供較低帶寬的數(shù)據(jù)連接，上行鏈路和下行鏈路的設備帶寬均為 200 kHz。比 LTE 覆蓋范圍提高20dB。

Sigfox 和 LoRa 都使用異步通信協(xié)議。Sigfox 和 LoRa 終端設備非運行期間，大部分時間都處于休眠模式，減少功耗。Sigfox 和 LoRa 支持使用 C 類傳輸方式處理雙向低延遲，代價則是增加能耗。

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