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物联网（IoT）应用的高效功耗无线通信技术/模块研究
摘要
本文介绍了用于物联网应用的无线技术在功耗方面的研究。本研究重点介绍了在物联网应用中使用低功耗无线技术和模块的重要性，通过介绍了不同的低功耗无线通信技术（如ZigBee，低功耗Wi-Fi，6LowPAN，LPWA及其模块）之间的比较，以节省电力和延长物联网网络传感器的生命。该研究的方法是协议的使用和实现该协议的特定模块。根据传感器节点之间的连接范围对候选协议进行分类。对于短距离连接，候选协议是ZigBee，6LoWPAN和低功率Wi-Fi。对于长连接，候选的是LoRaWAN协议。研究结果表明，由于每个模块/协议的功耗不同，每个协议的模块选择在电池寿命中起着至关重要的作用。因此，协议的相互评估取决于所使用的模块。
关键词：物联网，无线传感器网络，低功耗无线协议，无线低功耗模块
1．介绍
每个事物和处理之间的普遍联系的巨大变化将导致第三次工业革命，称为物联网（IoT）。这场革命相互包含了多项科学和技术，如数据采集，功耗，无线传感器网络，无线电和移动通信，数据分析和处理，互联网技术。物联网的名称来自于从可穿戴健身追踪器到联网汽车的广泛应用，涵盖公用事业，交通运输，医疗保健，消费电子等行业。
互联网的传统使用已不能满足工业和民用要求。物联网是通过实现与智能对象之间的通信来向互联网技术添加新技术的候选对象，从而实现“随时随地，任何媒体，任何东西”通信的愿景。为此，物联网应被视为未来总体互联网的一部分，这可能与今天的互联网使用有很大不同[1]。
通过互联网预测未来的连接设备如图1所示[2]。该图显示了手机，平板电脑，笔记本电脑，游戏机等设备的增长。所有其他类型的连接小型设备都预测了真正的大幅增长，像家庭自动化，智能能源，家庭老人护理，交通运输，资产跟踪等领域，这些将是物联网设备的真正应用方面。
因此，IoT是一个基于亿万智能传感器和执行器的系统，为了搭建这样一个系统，必须引入有关智能传感器和数据计算和处理的新思路。然而，必须首先提出问题，即这些传感器和执行器是如何互连的，以太网布线看起来不是一个好主意。实际上，只有无线技术才能提供确保物联网可行性所需的灵活性，可扩展性和成本效率。射频无线通信以其众多和现有基础设施为物联网系统中的数据流量提供了最佳解决方案[3]。
传感器之间的无线连接会带来有限的电源供应问题。理想情况下，在IoT应用中，传感器可以在单个AAA电池上运行多年的系统是首选。解决有限电源供应问题的方案是IEEE 802.15.4标准[4]。IEEE 802.15.4标准规定了用于低功率个人区域网络（LoWPAN）的无线链路。ZigBee联盟采用该标准并据此推出ZigBee设备，这是一种低成本，低功耗，无线网状网络标准，针对无线控制和监控应用[5]。通常，在为设备连接选择无线技术时，必须考虑一些因素，具体取决于最终应用。
bull;最大吞吐量。
bull;能量消耗。
bull;最大距离范围。
在这项工作中，一项研究使用不同技术/模块的比较分析，因为这些技术/模块影响物联网应用的无线通信系统的功耗。
图1 物联网中的设备量[2]
本文分为五个部分。第2节概述了物联网（IoT）基础及其增长。第3节描述了无线连接技术。第4节介绍了物联网应用的无线传感器网络。而第4节又分为两个小节，第一小节描述了用于某些短距离和长距离无线通信模块的模块之间的比较，而第二小节则给出了不同无线协议之间的比较。第5节给出了从研究中获得的结论。
2．物联网基本原理
物联网（IOT）是一种越来越受欢迎的新范例。它被定义为“现有互联网基础设施中唯一可识别的嵌入式计算设备的互连，提供超越机器到机器通信的设备，系统和服务的高级连接，涵盖各种协议，域和应用程序”[6]。
物联网中的“事物”一词意味着从小型设备（如手表和医疗传感器）到真正大型设备（如机器人，汽车和建筑物）的设备和物体。它是通过生成和检索环境信息与用户交互的设备，它们还包含允许它们控制输出的硬件（如继电器，交换机和数字端口），如图2所示[7]。
物联网设备由四个主要组件构成，即主控制单元（MCU-设备的大脑），从环境收集信息信号的传感器，通信模块和电源[7]。
将来，所有受益于互联网连接的设备都将被连接。在这个网络社会中，每个人和每个行业都有权发挥其全部潜力。物联网（IoT）技术是通过大规模提供机器对机器（M2M）和机器对人通信的关键推动者。
图2 物联网应用插图
物联网应用增长的另一个预测可以在图3中看到[8]。预计到2021年将有大约280亿个连接设备，其中超过150亿将连接M2M和消费电子设备。其中很大一部分将是由短距离无线电技术（如Wi-Fi和蓝牙）提供服务的应用，而很大一部分将由广域网（WAN）实现，主要由蜂窝和低功率广域促进（LPWA） ）网络。
3．无线物联网连接技术
有与物联网相关的不同类型的无线技术;这些技术跨越几厘米到几千米的不同空间。对于中短距离通信，建议使用无线个人和局域网技术（WPAN\LAN），如：蓝牙，ZigBee，6LowPAN和Wi-Fi。对于远程通信，建议用于无线广域网技术（WWAN），无论是使用许可（未来是蜂窝2G/3G/4G和5G）还是许可免除技术（LPWA LoRa，SIGFOX），这些技术可分为两种类型。如图4所示。
连接是物联网的基础，所需的访问类型取决于应用程序的性质。许多物联网设备将由在未经许可的频谱上运行的无线电技术提供服务，并且设计用于短距离连接，具有有限的QoS和安全要求，通常适用于家庭或室内环境。
3.1短距离连接技术
Wi-Fi是确保物联网应用连接的理想选择，因为它在过去几年中实现了巨大的增长，尽管功耗更高。今天，大多数地方都有可以发送的东西或一些数据要传输，有Wi-Fi覆盖。遗憾的是，由于传统协议的能耗相当大，因此传感器通信无法实现Wi-Fi。
自2006年以来，当Wi-Fi社区开始应用诸如值班循环等知名技术，即大多数时间将芯片置于睡眠模式而低功耗Wi-Fi模块看到这样的灯光时，情况发生了变化。作为Microchip的RN171模块，它是一个独立的嵌入式802.11 b / g无线局域网（WLAN）模块[9]。
短距离连接的另一个好选择是IEEE 802.15.4技术。几家领先的无线电制造商已实施IEEE 802.15.4。互联网工程任务组（IETF）推出了6LowPAN协议，ZigBee联盟通过低功耗IEEE802.15.4协议产生了ZigBee协议。特别地，IETF 6LowPAN定义了在IEEE 802.15.4网络之上传输IPv6分组所需的帧格式和若干机制。 6LowPAN是IPv6在低功耗个人区域网络上的首字母缩写。 6LowPAN背后的概念是将互联网协议（IP）直接引入小型，低成本的传感器设备中。由于IPv4中没有足够的地址，6LowPAN从IPv6的前提出发，目的是为每个设备提供一个地址[10]。
图3 连接设备的增长
图4 无线物联网连接技术
早期的优化工作表明，考虑到物联网应用所需的广泛数据速率，Wi-Fi的能效可能是ZigBee的10倍。 IEEE已开始研究低功耗Wi-Fi版本，该版本在IEEE 802.11ah中标准化。
3.2长距离连接技术
目前，依赖于广域覆盖的许多物联网应用有两种可选的连接轨道：
3.2.1蜂窝技术
3GPP技术，如GSM，WCDMA，LTE和未来的5G。 这些WAN在许可频谱上运行，并且历史上主要针对高质量的移动语音和数据服务。 然而，现在，它们正在迅速发展，具有新的功能和新的无线接入技术窄带物联网（NB-IoT），专门为新兴的低功率广域（LPWA）应用提供有吸引力的解决方案[8]。
3.2.2未经许可的LPWA
由SIGFOX和LoRa提供的新的专有无线电技术已经开发和设计，仅用于针对超低端传感器部分的机器类型通信（MTC）应用，对吞吐量，可靠性或QoS的要求非常有限。分割物联网应用的一种方法是根据覆盖需求和性能要求（例如数据速度或延迟需求）对它们进行分类。图5 [8]说明了可用于物联网的不同类型的技术，这些技术具有不同的覆盖区域，并且在本文将关注的未经许可的频谱内。
蜂窝连接的应用仍然集中在传统应用中，例如运输，汽车和位置管理。蜂窝2G连接提供了世界范围的好处。 LPWA解决的蜂窝连接存在限制。这些限制从根本上集中在两个关键问题上：高功耗，不允许电池长时间运行多年，以及服务成本，包括设备成本和支持基础设施的支持基础设施关于服务提供商的投资。
图5 针对不同细分的技术
实质上，LPWA技术补充了现有的蜂窝移动网络和短程技术，能够以更低的成本点和更好的功耗特性实现广域通信。就在2013年初，“LPWA”一词甚至不存在。事实上，LPWA空间从此成为物联网（IoT）市场发展最快的方面之一，这证明了LPWA技术具有令人难以置信的潜力[11]。
低功耗广域（LPWA）是一组具有以下关键特性的技术的通称：
bull;电池寿命长，通常超过10年。
bull;广域连接特性，允许开箱即用的连接解决方案。
bull;低成本芯片组和网络。
bull;有限的数据通信吞吐量。
LPWA技术通常是窄带（有一些例外），并且在ISM免许可频谱频段中运行。最近几个月，GERAN和3GPP标准组织开始实施标准化用于移动频谱的窄带技术的过程。 LPWA技术的几个支持者提出了他们的技术。标准竞赛中的竞争扩展到3GPP，其中针对物联网应用的成本降低的LTE模块的路线图正在开发中（LTE-M）以及专注于5G技术的其他标准组织。
到2020年，LPWA的市场预测在低至10亿和高达30亿的连接设备之间变化，其中大部分在北美，欧洲和亚太地区部署在主要应用领域，包括智能城市，智能建筑，农业和环境，和公用事业[11] [12]。
4用于物联网应用的无线传感器网络
无线传感器网络应用中的传感器被分组为群集以通知称为传感器节点的节点。 这些节点通常由电池供电。 在物联网应用中，这些节点必须在不改变电池的情况下执行其功能多年。 因此，电池寿命是物联网应用传感器节点设计中最重要的参数。 传感器节点的电池寿命受[3]的影响：
bull;无线通信协议。
bull;用于特定无线通信协议的模块。
bull;覆盖范围和传感器节点之间的距离。 bull;申请的性质。
4.1用于某种无线通信协议的已使用模块
4.1.1用于短距离连接的低功耗WiFi模块
低功耗Wi-Fi芯片/模块在降低Wi-Fi传感器中使用的电池的功耗方面具有影响因素。低功耗Wi-Fi模块可延长电池使用寿命，同时无需任何额外网关即可轻松安装到现有Wi-Fi网络。在支持IEEE 802.11协议的市场中引入了新的低功耗Wi-Fi模块。目前市场上着名的低功耗Wi-Fi芯片/模块是G2 Microsystem的G2M5477模块，Microchip的RN171模块，Qualcomm的QCA4004模块，Gain Span的GS1011M，Red pine的RS9110-N-11-02模块和RTX的RTX41x系列模块。表1列出了这些模块在功耗方面的具体比较。
图6显示了每个低功耗Wi-Fi模块的功耗（dBm）。显然，如果忽略传输或接收数据期间数据大小和速率值的影响，RTX41x系列与其他模块相比功耗更低。因此，我们可以选择此模块来比较低功耗Wi-Fi技术与物联网传感器网络的其他无线通信技术。
4.1.2用于ZigBee的IEEE 802.15.4射频模块和用于短距离连接的6LoWPAN
ZigBee和6LoWPAN协议通过IEEE 802.15.4协议设计，适用于低功耗应用，如低功耗无线传感器网络。因此，在低功耗方面，它们是物联网应用的理想选择。 IEEE 802.15.4模块通常与负责无线传输的无线电，负责编排和控制芯片中数据流的微控制器以及负责存储数据的存储器集成在一起。
IEEE 802.15.4协议允许网络设计者通过设置传感器节点的占空比来执行能量规划。ZigBee协议定义了一种操作，使ZigBee模块长时间以低功耗睡眠模式运行，因此它允许传感器节点在大多数时间内保持低功耗睡眠状态。另一方面，6LoWPAN协议基于IPv6并以完全异步的方式运行。它采用网状拓扑并使用路由算法，该算法不关心睡眠节点，因此需要诸如低功耗监听之类的节能目的[18]。表2中，不同IEEE 802.15.4模块在功耗方面的特定比较如表2所示。
表2 不同低功耗Wi-Fi模块的特殊比较
图6 多个低功耗Wi-Fi模块的功耗（dBm）
表2 不同IEEE 802.15.4模块的特殊比较
图7显示了每个802.15.4模块的消耗功率（dBm）。 显然，如果我们忽略节点之间的最大范围的影响，deRFsam323M10-2与其他模块相比消耗更少的功率。 因此，我们可以选择此模块来比较IEEE 802.15.4模块与物联网传感器网络的其他无线通信技术。
4.1.3用于远程连接的LPWA LoRaWAN模块
Semtech-LoRa，SigFox，华为/ Neul，高通公司已提出满足GERAN窄带物联网连接指南的建议。 下面的表3给出了基于不同LPWA LoRaWAN的模块在功耗方面的比较。
图8显示了每个LoRaWAN模块的最大发射功率的消耗功率（dBm）。 显然，如果我们考虑节
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