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数种通信协议最终谁能掌握核心话语权


电子工程师和物联网(IoT)的产品和系统的应用程序开发人员都有一个几乎令人迷惑的连接选项。

许多通信技术是众所周知的,如WiFi,蓝牙,ZigBee和2G / 3G / 4G蜂窝,但也有几个新兴的新兴网络选项,如线程作为家庭自动化应用的替代品,以及在主要城市实施的空白电视技术用于更广泛的基于IoT的用例。根据应用,范围,数据要求,安全性和功率需求以及电池寿命等因素将决定某种形式的技术组合的选择。这些是向开发人员提供的一些主要通信技术。

2017年全球运营商资本开支迎拐点,相对乐观但有不确定因素。我们认为总体上通信行业2017年应该会好于2016年,主要有政策推动:运营商混改列入第一批试点名单,引入互联网巨头或直接流量经营、数据经营转型,全面形成“云管端”闭环,行业形态有望重塑;以及技术周期推动:5G标准制定关键阶段,下半年海外运营商同步实现商用。此外,还有以下2个原因:

1、全球市场运营商资本开支迎来拐点之年,增速触底。我们预期2017年全年全球通信设备市场仍将有3%的小幅下降,但在下半年资本开支有望触底反弹,4.5G网络扩容,5G及物联网的投资开始加大;

2、国内厂商份额提升,全球市场占据半壁江山(无线通信市场,华为市场份额第一,达到35%;中兴稳健上升,从2010年市场份额6%提高至12%),表现抢眼。

同时也存在不确定因素:(1)国内三大运营商资本开支持续下降,中国移动FDD牌照及广电无线网络投资存在不确定,以国内市场为主的公司业绩或承压;(2)通信板块绝对估值处于历史中位数,但经过2016年市场调整,相对大盘估值处于历史低位。

2017年国内传统通信市场无线和有线宽带领域都将迎来新的机遇:

(1)5G标准制定进入关键阶段,国内企业如华为、中兴等主设备厂商开始掌握核心话语权,未来全球市场份额仍将提升,同时专利授权也将从企业支出改为收入;

(2)物联网百亿新连接,成为运营商下一个万亿市场。2017年NB-IOT将正式商用,LTE-V将于2017年3月份全面冻结,下半年开始试商用,甚至5G都将首先应用于智慧城市及交通领域;

(3)光通信方面,中国移动持续发力固网宽地,2016年用户数量首次超过中国联通,2017年将向中国电信用户总量靠近,光器件、光纤光缆需求依然旺盛,随着网络流量暴增,光传输设备需求规模也在数十亿元以上。

5G

5G(Fifth GeneraTIon)是第五代移动通信的简称,在5G标准制定中将物联网纳入了考量范围。根据3GPP的时间表,5G将在3GPP的主导下于2018年9月确定Release 15早期标准,2019年末~2020年初确定Release 16最终标准,但现在种种迹象表明,5G或将提前到来!

相比4G网络,5G终端侧:强调芯片、天线的能力提升,多种终端接踵而来;网络侧:C-RAN、D-RAN、宏基站组网方式更加多样,核心层更加扁平;内容侧:VR、4K、物联网等成为杀手应用。

我们预计我国5G网络投资总规模达6500亿元,相比4G增长60%以上。2017年5G的投资主要关注两个方向:主题方面可以关注3GPP年内会议;成长性投资机会方面可以关注5G技术布局和面向5G的全球规模4.5G建设和三大运营商面向5G的无线网络优化。

NB-IoT

NB-IoT是第一个面向物联网的运营商级别通信协议。目前,3GPP已经正式批准通过了支持Band 70的NB-IoT,我国运营商对于NB-IoT的落地十分积极。三大运营商都表示2017年将大规模商用NB-IoT,LoRa、SigFox、Ingenu 、NWave等一系列技术均不同程度的活跃起来。

NB-IoT将在低耗能、低信息量、巨量化传感器网络中应用,领域包括:①以水电气的智能抄表业务为代表的智能家居业务;②以邮筒、垃圾箱、路灯、下水道、停车位管理为代表的智慧城市业务;③以快递、宠物、畜牧业、儿童老人跟踪为代表的智能追踪业务;④以可穿戴健康设备为代表的智能医疗业务;⑤其他工业领域小规模、长时间数据收集案例或周期性控制应用。

最近受到关注的摩拜单车等应用也是NB-IoT表现的重要舞台。

车联网专有协议LTE-V2X将于2017年3月份冻结,或掀起主题投资热潮。LTE-V是我国具有自主知识产权的V2X技术,由华为、大唐等公司主导提出,工信部力推智能网联,大概率会采用LTE-V.LTE-V利好车联网和自动驾驶产业链。

(1)车联网产业链:终端侧的车载终端设备(包括LTE-V通讯模块、北斗/GPS导航模块)最先收益,弹性大,规模达千亿;网络侧,看好主设备商厂商;服务侧,主要看好车联网平台和UBI保险。(2)自动驾驶产业链:主要受益的有雷达、摄像头等传感器和高精度地图。另外,可关注路侧交通设施升级改造领域。

蓝牙

重要的短距离通信技术当然是蓝牙技术,在计算和许多消费品市场中已经变得非常重要。预计这是可穿戴产品的关键,特别是连接到物联网,尽管可能通过智能手机在许多情况下。新的蓝牙低功耗(BLE)或蓝牙智能(如现在已被标注)是物联网应用的重要协议。重要的是,虽然它提供了与蓝牙类似的范围,但它的设计旨在显着降低功耗。

但是,Smart / BLE并不是真正设计用于文件传输,更适合于小块数据。鉴于其在智能手机和许多其他移动设备上的广泛集成,因此在许多竞争技术的个人设备环境中肯定具有重大优势。根据蓝牙SIG,超过90%的蓝牙智能手机,包括iOS,Android和Windows的型号,预计到2018年将“智能就绪”。

使用蓝牙智能功能的设备包含了基于射频收发器,基带和协议栈的基本数据速率和低能量核心配置的蓝牙核心规范版本4.0(或更高版本 - 2014年底最新版本4.2,,目前已更新5) 。重要的是,版本4.2通过其互联网协议支持配置文件将允许蓝牙智能传感器通过6LoWPAN连接直接访问互联网(下面更多)。这种IP连接使得可以使用现有的IP基础设施来管理蓝牙智能边缘设备。有关蓝牙4.2的更多信息,可从RS获得各种蓝牙模块。

标准:蓝牙4.2核心规格

频率:2.4GHz(ISM)

范围:50-150米(智能/ BLE)

数据速率:1Mbps(智能/ BLE)


Zigbee

ZigBee像蓝牙一样具有大量的操作基础,尽管传统上在工业环境中也是如此。 ZigBee PRO和ZigBee远程控制(RF4CE)以及其他可用的ZigBee配置文件均基于IEEE802.15.4协议,该协议是以2.4GHz为目标的行业标准无线网络技术,针对的应用程序需要相对不频繁的数据交换,在限制区域内的距离在100米范围内,例如在家庭或建筑物中。

ZigBee / RF4CE在复杂系统中具有一些显着的优势,提供低功耗操作,高安全性,鲁棒性和高可扩展性,具有高节点数量,并且有能力利用M2M和IoT应用中的无线控制和传感器网络。 ZigBee的最新版本是最近推出的3.0版本,它基本上是将各种ZigBee无线标准统一为单一标准。 ZigBee开发的示例产品和套件包括TI的CC2538SF53RTQT ZigBee片上系统集成电路和CC2538 ZigBee开发套件。

标准:基于IEEE802.15.4的ZigBee 3.0

频率:2.4GHz

范围:10-100米

数据速率:250kbps

Z波

Z-Wave是一种低功耗射频通信技术,主要用于诸如灯控制器和传感器之类的产品的家庭自动化。针对数据速率高达100kbit / s的小数据数据包的可靠和低延迟通信进行了优化,其工作在1GHz频段,并且不受WiFi和其他无线技术在2.4 GHz范围内的干扰,如蓝牙或ZigBee。它支持全网状网络,而不需要协调器节点,并且是非常可扩展的,可以控制多达232个设备。

Z-Wave使用比其他一些更简单的协议,可以实现更快更简单的开发,但与其他无线技术(如ZigBee等)的多种来源相比,唯一的芯片制造商是Sigma Designs。

标准:Z-Wave Alliance ZAD12837 / ITU-T G.9959

频率:900MHz(ISM)

范围:30m

数据速率:9.6 / 40 / 100kbit / s

6LowPAN

基于IP(Internet Protocol)的技术是6LowPAN(IPv6低功率无线个人区域网络)。 6LowPAN不是像蓝牙或ZigBee这样的IoT应用协议技术,而是一种定义封装和头压缩机制的网络协议。该标准具有频带和物理层的自由度,也可以在多种通信平台上使用,包括以太网,Wi-Fi,802.15.4和sub-1GHz ISM。一个关键的属性是IPv6(互联网协议版本6)堆栈,这是近年来非常重要的介绍,以实现物联网。 IPv6是IPv4的后继者,为世界上每个人提供大约5 x 1028个地址,使世界上任何嵌入式对象或设备都拥有自己的唯一IP地址并连接到互联网。例如,IPv6专为家庭或楼宇自动化设计,提供了一种基本的传输机制,可以通过低功耗无线网络以成本效益的方式生产复杂的控制系统和与设备进行通信。

该标准旨在通过基于IEEE802.15.4的网络发送IPv6数据包,并实施开放IP标准,包括TCP,UDP,HTTP,COAP,MQTT和Websockets,该标准提供端对端可寻址节点,允许路由器将网络连接到IP。 6LowPAN是一种网状网络,具有强大的可扩展性和自愈性。网状路由器设备可以路由指定给其他设备的数据,而主机能够长时间睡眠。这里有6LowPAN的解释,TI提供。

标准:RFC6282

频率:(适用于各种其他网络媒体,包括蓝牙智能(2.4GHz)或ZigBee或低功率射频(亚1GHz)

范围:N / A

数据速率:N / A

线程

线程是一种针对家庭自动化环境的新型基于IP的IPv6网络协议。基于6LowPAN,也喜欢它,它不是像蓝牙或ZigBee这样的IoT应用协议。然而,从应用的角度来看,它主要被设计为WiFi的补充,因为它识别出WiFi对于许多消费者设备而言是有利的,它在家庭自动化设置中使用的限制。

线程组于2014年中推出,免版税协议基于各种标准,包括IEEE802.15.4(作为无线空中接口协议),IPv6和6LoWPAN,并为物联网提供了一种弹性的基于IP的解决方案。 Thread专为从现有的IEEE802.15.4无线芯片供应商(如飞思卡尔和Silicon Labs)工作,Thread支持使用IEEE802.15.4无线电收发器的网状网络,能够处理多达250个具有高级别身份验证和加密的节点。相对简单的软件升级应允许用户在现有的支持IEEE802.15.4的设备上运行线程。

标准:线程,基于IEEE802.15.4和6LowPAN

频率:2.4GHz(ISM)

范围:N / A

数据速率:N / A

无线网络(WIFI)

WiFi连接通常是许多开发人员的明显选择,特别是考虑到局域网内家庭环境中WiFi的普及。除了明确指出,现有基础架构广泛,并提供快速的数据传输和处理大量数据的能力,这不需要进一步的解释。

目前,在家庭和许多企业中使用的最常见的WiFi标准是802.11n,其提供了在数百兆比特每秒的严格吞吐量,这对于文件传输是很好的,但对于许多IoT应用来说可能太耗电了。 RS提供了一系列用于构建基于WiFi的应用的RF开发套件。

标准:基于802.11n(今天最常见的用途)

频率:2.4GHz和5GHz频段

范围:约50m

数据速率:最大600 Mbps,但根据所使用的通道频率和天线数量(最新的802.11-ac标准应提供500Mbps至1Gbps),150-200Mbps更为典型。

蜂窝

需要更长距离运行的IoT应用程序可以利用GSM / 3G / 4G蜂窝通信功能。虽然蜂窝电话显然能够发送大量的数据,特别是对于4G,但对于许多应用来说,费用和功耗将会太高,但是对于传输速度非常低的基于传感器的低带宽数据项目来说,这是非常理想的互联网上的数据量。该领域的一个关键产品是SparqEE系列产品,包括原始的小型CELLv1.0低成本开发板和一系列与Raspberry Pi和Arduino平台一起使用的屏蔽连接板。

标准:GSM / GPRS / EDGE(2G),UMTS / HSPA(3G),LTE(4G)

频率:900/1800/1900 / 2100MHz

范围:GSM最大35km; HSPA最长200公里

数据速率(典型下载):35-170kps(GPRS),120-384kbps(EDGE),384Kbps-2Mbps(UMTS),600kbps-10Mbps(HSPA),3-10Mbps

NFC

NFC(近场通信)是一种技术,能够实现电子设备之间的简单和安全的双向交互,特别适用于智能手机,允许消费者执行非接触式支付交易,访问数字内容和连接电子设备。本质上它扩展了非接触式卡技术的能力,并使设备能够在距离小于4cm的情况下共享信息。此处提供更多信息。

标准:ISO / IEC 18000-3

频率:13.56MHz(ISM)

范围:10厘米

数据速率:100-420kbps

Sigfox

另一种广泛的技术是Sigfox,它的范围在WiFi和蜂窝之间。它使用可免费使用的ISM频带,而不需要获取许可证,以便在非常窄的频谱范围内将数据传输到连接对象和从连接对象传输数据。 Sigfox的想法是,对于运行在小型电池上的许多M2M应用程序,只需要低级别的数据传输,则WiFi的范围太短,而蜂窝电话太贵,并且功耗太大。 Sigfox使用一种称为超窄带(UNB)的技术,仅用于处理每秒10至1,000位的低数据传输速度。与5000微瓦相比,蜂窝通信消耗的电量仅为50微瓦,或者可以通过2.5Ah电池提供典型的待机时间20年,而蜂窝电话仅为0.2年。

已经部署在成千上万个连接对象中,该网络目前正在欧洲主要城市推出,其中包括英国的十个城市。该网络提供了一个强大的,功率高效和可扩展的网络,可以与数百万个电池供电设备在几平方公里的区域进行通信,使其适用于预期包括智能电表,病人监视器,安全设备,街道照明和环境传感器。 Sigfox系统使用Silicon Labs等EZRadioPro无线收发器等硅片,为在1GHz以下频段工作的无线网络应用提供行业领先的无线性能,扩展范围和超低功耗。

标准:Sigfox

频率:900MHz

范围:30-50公里(农村环境),3-10公里(城市环境)

数据速率:10-1000bps

Neul

与Sigfox相似,在1GHz频段内运行,Neul利用电视白空间频谱的小片,提供高可扩展性,高覆盖率,低功耗和低成本无线网络。系统基于Iceni芯片,其使用白色空间无线电进行通信,以访问高质量的UHF频谱,由于模拟到数字电视转换,现在可用。通信技术称为无重量,是一种为IoT设计的新型广域无线网络技术,与现有的GPRS,3G,CDMA和LTE WAN解决方案大有竞争。数据速率可以是在同一个单一链路上从每秒几位到100kbps的任何数据速率;并且设备可以从2xAA电池消耗少至20至30mA,这意味着在现场10至15年。

标准:Neul

频率:900MHz(ISM),458MHz(英国),470-790MHz(白色空间)

范围:10公里

数据速率:最少可达100kbps

LoRaWAN

Again在某些方面与Sigfox和Neul类似,LoRaWAN针对广域网(WAN)应用,旨在为具有特定功能的低功率WAN提供支持,以便在IoT,M2M和M2M中支持低成本移动安全双向通信智能城市和工业应用。针对低功耗优化并支持具有数百万和数百万台设备的大型网络,数据速率范围为0.3 kbps至50 kbps。

标准:LoRaWAN

频率:各种

范围:2-5公里(城市环境),15公里(郊区环境)

数据速率:0.3-50 kbps。


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