物联网中的连接:系统和标准

2023年1月4日

Cadence PCB Solutions

关键的外卖

物联网网络可以通过三个性能支柱来表征。
物联网系统的不同需求导致了一堆协议标准。
这些标准不断发展和变化，以满足新的物联网设计范式。

带有痕迹和通道的云说明了物联网中的连接

物联网中的连通性是通过平衡相关系统的网络性能来驱动的。

互联网让世界变得更小;地方新闻已经成为国际新闻，新闻周期已经扩展到全球范围。即时通讯推动了一个信息时代的到来，这在40年前是难以想象的。此外，电子产品的小型化将这些工具带到世界的每个角落，随时研究和展示事件。

技术进步和规模经济推动了物联网的高连接性，并继续推动网络改进，以在专业和私人空间获得更大的自主权。随着物联网设备数量和功能的不断增长，设计人员需要对他们的理解有信心塑造这些网络的力量，以及空间中当前和不断发展的协议的形式。

通过三个基准来确定物联网中的连接

从概念上讲，物联网的核心推力是实现设备之间的自主通信，以改善对刺激的响应。用于定义行动流程图或决策树的算法已经发展到巨大的比例，以反映网络的总体互联性。虽然这种范围的增加使全新的计算模型方法成为可能，但它伴随着系统复杂性的显著上升。

当然，物联网并不是放之四海而皆准的;实现必须考虑到网络的物理布局、通信速度、瓶颈、设计协议等等。有几种方法可以分析网络，但最直接的是评估三个基本性能特征:

范围- - - - - -网络的范围分为短范围或长范围，即使在相同范围指定的协议之间的区域覆盖可能存在很大差异。近程导弹的直接距离约为100米或更短，而远程导弹可以跨越数公里。
数据速率-每次传输(或单位时间)需要发送的数据量根据系统中传输的信息量而有很大的不同。具有大数据包的更多技术设备可能会消耗更多的功率，反之亦然。即使是传输模式也会对整体性能产生影响，因为连续通信操作将需要比待机/确认、接收和发送模式更大的带宽。
延迟,延迟与数据速率呈正相关，尽管也会出现异常。这应该从数据大小来看:在高延迟速度下交换大文件大小将变得难以忍受，而较小的数据包可能不需要异常快速的传输。虽然低延迟通常是可取的，但不需要高传感器轮询/实现速率或云处理速率的系统可以通过使用较慢的速度来减少系统需求。

识别优势和用例

常见的物联网协议权衡了这些特征的重要性，随后构建的系统可以利用它们的特殊优势。协议的设计是为了最大化上述一个或两个标准的性能，但是由于这三个方面的冲突性质，实现范围、速率和延迟的三联奏是不可能的(提醒一下，工程中没有免费的午餐)。然而，简单地在特定协议的类别中执行“足够好”，这是由每个协议的设计范围定义的，可以确保系统满足设计人员设定的物联网连接目标。一些最常见的物联网协议包括:

无线个域网-ZigBee是一种用于无线个人区域网络的短距离技术，其网络设备分为三类:协调器、路由器和终端设备。协调器保持动作在网络(和其他相互连接的网络)上顺利运行，而路由器处理数据包交换。终端设备与协调器或路由器通信，但从不直接通信。该协议非常适合星形和网状拓扑结构，这些拓扑结构为协调器提供一定程度的集中化，或为路由器提供密集的通信网络。
蓝牙/祝福-香草蓝牙在物联网中的扩展性很差，因为它的连续数据流非常耗电。幸运的是，蓝牙低功耗(BLE)切换到更高效的传输方式，同时仍然享受许多蓝牙的好处例如网络可伸缩性(设备计数以10000计)和速度。BLE可以利用网状拓扑中的大量设备，采用洪水路由等方法，将消息发送到接收消息的每个连接节点，而不包括接收信号的节点。其他网络支持特性(如消息缓存)有助于进一步帮助路由和防止循环逻辑循环。
无线网络,如果说BLE和ZigBee反映了传感器端的网络结构，那么WiFi就是将这些设备网络连接到互联网的桥梁。它速度快，具有高数据速率以防止瓶颈，但相对于其他协议存在功耗问题。面向物联网的WiFi标准已经推出，其特点是数据速率和速度显著降低，但功耗也相应降低。
油水界面,通过使用与无线电频段不同的电磁频段(特别是红外到紫外线)，OWC可以在短距离内以低功耗实现高速传输速率。OWC是一项新兴技术，旨在为无法使用WiFi和其他协议的远程或具有挑战性的位置提供网络解决方案。
LTE -这是移动通信网络的行业标准，尽管5G正在作为其替代品推出。
5克,相对于LTE, 5G旨在提高数据速率、延迟和更大的网络规模。某些应用程序也希望提高协议的可靠性，但是平衡可靠性和减少延迟在传统上是两个相互矛盾的目标。
低功耗广域网(LPWAN)LPWAN是一种考虑到物联网需求而构建的标准:它结合了广域、多设备和低功耗。目前存在未授权和授权的衍生产品，前者缺乏一些相关的测试成本，后者能够享受LTE移动网络的基础设施。