[杂谈]-2023年实现M2M的技术有哪些？

2023年实现M2M的技术有哪些？

在当今的数字世界中，机器对机器 (M2M) 正在迅速成为标准。 M2M 包括使联网设备能够交换数据或信息的任何技术。 它可以是有线或无线的，但物联网 (IoT) 使设备之间的这种无线通信变得司空见惯。

物联网也使这些设备变得智能化。 考虑一下可穿戴设备、移动设备和消费电子产品可以在多大程度上跟踪、查找、回忆和通知您或其他人。 现在，人工智能和机器学习正在使这些交互变得更智能、更快捷、更有意义。

1、寻找连接

一旦计算机通过 TCP/IP 和 UDP 等标准协议连接到互联网，物联网就没有一种标准协议。 今天的物联网连接设备不再仅仅是通用计算机，而且是为预定义操作而构建的专用设备。 嵌入式和移动设备的计算功能和应用程序有所不同。

目前，还没有一种协议支持 IoT 或 M2M 通信。 当前使用的许多协议都是基于应用程序和操作的。 理想情况下，无论范围如何，它们都应该快速、可靠且高效。

一般来说，大多数物联网设备都需要低功耗、短距离和无线连接。 它们连接到网关、集线器，或通过无线接口直接连接到互联网。

其中许多设备都是电池供电的，需要节省能源才能长时间运行。 它们很少（如果有的话）像传统计算机一样使用大页眉或页脚来传输大量有效负载，因为它们的资源有限。

在本文中，我们将介绍今年当前使用的顶级 M2M 协议。

2、M2M与IoT

到 2022 年，全球机器对机器行业的规模将达到 2000 亿美元。M2M 连接数约为 125 亿个，预计到 2025 年将增加一倍，达到 252 亿个。

物联网方面，今年迄今活跃的物联网设备已近151.4亿台。 到 2030 年，这一数字预计将翻一番，达到 294.2 亿。

M2M 和 IoT 通常可以互换使用，但它们并不完全相同。 物联网需要M2M，但M2M并不依赖于物联网。

M2M可以是任意两台机器之间通过有线或无线接口进行的点对点基于硬件的通信。 M2M 设备可以是在封闭系统内运行的隔离设备。 它们通常通过非 IP 协议仅以单向方式传输结构化数据。

物联网通常是一种基于软件的通信工具，用于通过互联网交换传感器数据。 物联网设备通常通过集线器或网关通过互联网连接。 物联网中通信的传感器数据可以是结构化的或非结构化的，具体取决于应用。

几乎所有物联网设备都是通过 IP 协议通信数据的低功耗无线设备。 M2M 在封闭系统中呈现垂直应用程序，而物联网则服务于涉及多个和/或多级应用程序的水平应用程序。

尽管存在这些差异，物联网设备还是基于 M2M 系统构建的，使它们能够与企业网络和一系列云服务连接和通信。

3、流行的 M2M 协议

M2M 设备可以通过有线和无线协议相互连接和通信，但大多数都是无线的。 由于物联网在过去十年中获得了巨大的关注，因此大多数 M2M 系统都是物联网。

事实上，所有 M2M 连接中近 60% 都是物联网设备。 预计到 2025 年，这一比例将增至 90%。到 2023 年，顶级 M2M 协议如下：

• WiFi

• Bluetooth

• Zigbee

• MQTT

• 5G

• LoRaWAN

• Sigfox

• LTE-M

• NB-IoT

• CoAP

• AMQP

• XMPP

WiFi 是最流行的 M2M 协议，约占所有 M2M 连接的 55%。 WiFi 是一种可靠、加密、受密码保护的接口，无需额外的基础设施即可广泛使用。 M2M 设备可以轻松连接 WiFi 网络并进行操作以交换数据。

WiFi 6 或 802.11ax 是该协议的最新版本。 WiFi 6 提供高达 9.6 Gbps 的数据速度，是之前版本（WiFi 5.0）的两倍。 除了 2.4 GHz 和 5 GHz 频段之外，WiFi 6 还提供额外的 6 GHz 频段，该频段在利用数据速度方面发挥着关键作用。

WiFi 6 中添加了新功能，例如 OFDMA（正交频分多址），以提高技术效率和波束成形以提高其可靠性和范围。

然而，WiFi 技术也有一些缺点。 建立高速网络的成本相对较高。 安全性也可能是一个问题，需要密码保护和软件更新。 需要采取更强有力的措施来确保抵御黑客和网络攻击的安全。

WiFi 信号也很容易被其他电子设备和信号源中断，因此该技术可以受益于确保范围、可靠性和安全性的机制。

蓝牙是一种近 20% 的 M2M 连接所依赖的短距离无线通信技术。 它易于使用和配对设备，将可穿戴设备与智能手机、传感器与网关或雾或智能家居设备相互连接。

蓝牙一次仅传输少量数据，但功耗低，适合电池供电和大多数物联网设备。 蓝牙连接是安全的，并且通信的数据受到强加密的保护。

最新版本是蓝牙5.3。 最新协议可以在长达 400 米的范围内以 2 Mbps 的速率传输数据。 它能够通过蓝牙信号查找方向，这对于资产跟踪和室内导航等应用非常有用。

新协议可实现更高的数据传输速度，同时降低功耗，从而实现从一台设备到多个设备的高清视频流、文件传输和音频广播。 网状网络、低能耗音频和超宽带技术是值得注意的新功能。

M2M 连接通常使用蓝牙来实现数据共享、音频、控制 HID 设备以及设备之间的通信。 整体范围较短、安全漏洞和低带宽仍然是该技术令人担忧的一些领域。

Zigbee 是一种低功耗、低带宽无线技术，约占所有 M2M 连接的 15%。 它因其网状拓扑、低成本和功耗以及强大的加密能力而广受欢迎，使其能够在许多应用中取代 WiFi 和蓝牙。

它通常用于工业资产跟踪、智能家居、工厂自动化、医疗保健监控、灌溉控制和作物监控。

最新版本是2017年发布的Zigbee 3.0。Zigbee 3.0可以以270 kbps的速率传输传感器数据，传输范围可达100米。 它为照明应用提供 Zigbee LightLink。 LightLink 支持颜色控制、调光和多灯一起使用。

一些挑战包括延迟、低数据速率、来自其他电子设备的信号干扰以及设备的电源管理。

MQTT 是一种可扩展的发布-订阅协议，用于支持 IoT 和 M2M 通信。 大约 65% 的 M2M 连接（主要是物联网）使用它来传输传感器数据、控制二进制设备以及从中央服务器接收命令。

MQTT 可能并不适合所有应用程序，因为它缺乏消息优先级或 QoS 级别等所需功能。 这种相当简单的协议还具有低数据速率、低带宽和安全漏洞。 尽管存在这些缺点，MQTT 仍然是用于间歇性通信传感器数据的顶级 M2M 协议之一。 这使得它非常适合那些花费大量时间处于睡眠模式并且需要以小块但非常频繁地传输传感器数据的物联网设备。

最新版本是 MQTT 5.0，于 2019 年发布。MQTT 5.0 支持高达 256 KB 的消息，并具有 TLS 1.3 和 DTLS 1.2 等增强的安全功能。 值得注意的功能包括主题别名、会话恢复以及最后的账单和遗嘱。 最顶级的开发是 MQTT over WebSockets (MQTT-WS)，它允许通过 Web Sockets 传输 MQTT 消息。

该协议在不断发展，因此值得不断更新。 例如，现在有基于 5G 的 MQTT、基于 LoRaWAN 的 MQTT，以及基于量子网络的 MQTT 预计很快就会出现。

5G是M2M通信最有前途的技术。 目前，只有 1% 使用 5G 连接，预计到 2025 年这一数字将增至 5%，到 2030 年将增至 25%。

5G 将成为实现智慧城市、工业自动化、联网汽车、增强现实、视频流和医疗保健物联网的关键技术。

大多数通信技术要么是高速、低带宽/范围，要么是低速、高带宽/范围。 当前的无线技术还没有能够实现远距离、高速和高带宽的运行。 5G技术将改变这一现状。 这种下一代蜂窝技术将增加带宽，促进几乎无延迟的高速互联网，并增强安全性和同时处理多个连接的数据通信的能力。

该技术旨在支持大规模机器类型通信（mMTC）和超可靠、低延迟通信（URLLC）。 mMTC将用于智能计量、智慧城市和资产跟踪。 URLLC 将成为远程手术、医疗保健物联网和联网汽车的关键技术堆栈。

5G正在经历标准化和初步部署。 3GPP（第三代合作伙伴项目）正在制定该技术的标准。 100多个国家已经部署了一定程度的5G网络。

5G虽然保证了小网络圈内多个连接之间的无时延连接，但成本高、功耗大是其缺点。 5G将最适合大规模部署的高密度网络。 尽管如此，它仍然无法解决水平扩展物联网网络的问题（不需要高数据速率，但需要覆盖广泛分散的设备的可靠的远程网络）。 为此，LoRaWAN 是解决方案。

LoRaWAN是一种基于LoRa调制技术的长距离、低成本、带宽和功率通信技术——LoRa调制技术是一种适合低功耗长距离通信的扩频调制技术。

LoRa 是一种高度安全、可扩展且可靠的 M2M 通信技术，可用于连接远程部署的高频交换小型数据的设备。 大多数物联网设备都属于这一类。

LoRaWAN 将实现智能计量、资产跟踪、野生动物跟踪、农业监测、环境监测和智能交通管理。 它连接一些设备，并促进远程（或全球）设备之间的低带宽和高延迟通信。

LoRaWAN 设备的数量预计到 2023 年将达到 1 亿，目前占全球 M2M 连接的 20%。 LoRaWAN 1.1 于 2021 年发布，它具有扩展的范围、更高的安全性和对 IPv6 的支持。

2022 年，推出了物联网 LoRaWAN，今年又推出了智慧城市 LoRaWAN 和物联网 LoRaWAN。

Sigfox 是一种利基 M2M 通信技术，面向与 LPWAN 相同的市场。 2016 年，近 25% 的 M2M 连接使用 Sigfox。 今年这一比例已降至仅 5%。 原因之一是 LoRaWAN 等竞争性 LPWAN 技术的发展。

不幸的是，与当前技术相比，Sigfox 成本高昂，数据吞吐量低且范围有限。 它能否在竞争中生存下来，将取决于其母公司的进步。 但 Sigfox 仍然在一定程度上被使用。

LTE-M 是一种 M2M 通信技术，专为与 5G 和 LPWAN 不同的场景而设计。 LTE-M 是一种全球范围内使用的长距离、低功耗、高数据吞吐量技术。 该技术旨在满足全球或远距离部署的设备的需求，但尽管功耗较低，但仍需要广泛的数据交换。

该技术价格昂贵，存在多个安全漏洞，而且设计非常复杂，但它迎合了独特的利基市场。 该技术非常适合智慧城市中的多种应用，以及农业监控、资产跟踪和环境监控。 LPWAN 技术在此类应用中面临可行性和部署方面的障碍。 因此，LTE-M是一种选择

最新标准是3GPP于2017年发布的LTE-M Cat-M1。 2019 年，推出了 LTE-M Cat-NB1，进一步降低了功耗并扩大了 LTE-M 的覆盖范围。 2021 年，面向智慧城市的 LTE-M 出现，针对智能停车、水管理和空气质量监测等应用。 2022 年，物联网 LTE-M 推出。 我们看看接下来会发生什么！

NB-IoT 是一种长距离、低成本、低功耗的通信协议，目标市场与 LoRaWAN 相同。 LoRaWAN 基于 Chirp 扩频，而 NB-IoT 基于正交频分复用 (OFDM)。

LoRaWAN 在未经许可的频谱上运行，而 NB-IoT 在许可范围内运行。 相比之下，它还具有更好的可靠性和覆盖范围。 LoRaWAN 在智能农业、资产跟踪和环境监控等成本敏感型应用中受到青睐，而 NB-IoT 在智能计量、工业自动化和交通管理等应用中具有优势。

2021 年，使用 NB-IoT 的 M2M 连接比例增长了 16%，而 2016 年的使用比例为 4%。

最新标准是3GPP于2017年发布的NB-IoT Cat-M1。2019年推出了NB-IoT Cat-NB1，以提高覆盖范围并降低功耗。 2021 年，针对智慧城市的 NB-IoT 推出，随后于 2022 年推出针对物联网的 NB-IoT。

其他协议
AMQP（高级消息队列协议）和 XMPP（可扩展消息传递和状态协议）是其他流行的 M2M 通信协议或技术。 但它们的使用量正在减少至 M2M 连接的 1% 左右。

MQTT 和 CoAP 正在迅速取代这两个标准。 全球 65% 的 M2M 连接使用 MQTT，6% 的 M2M 连接使用 CoAP。