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用于物联网的各种低功耗广域联网技术

Richard Quinnell?? 2016年02月24日 ?? 收藏2
对于消费类的物联网(IoT)应用来说,诸如WiFi、ZigBee和蓝牙等无线网络技术已经是非常理想的了,但许多民用、工业和其它物联网应用需要工作在比这些技术能够处理的大得多的地理区域。蜂窝和卫星机到机(M2M)技术通常可以用来填补这个空隙,但成本、功耗和可扩展性因素使得这些选择对未来缺乏足够的吸引力。许多低功耗的广域联网(LP-WAN)技术应运而生,那些寻求满足这些宽范围物联网应用的开发人员可以对此多加考虑。

广域物联网技术的用途非常广泛。诸如停车资源、交通流量控制、公用设施监视和配电控制以及环境监视等民用基础设施只是开始。像监视农作物生长情况和牲畜迁移等农业应用也需要广域覆盖。从出租车到冷冻货物运载等资产监视和跟踪需要地区性、全国性甚至全球性的覆盖。诸如铁路和公路等交通基础设施也需要广域监视。即使是健康护理等消费类应用也能从替代蜂窝电话的广域连接中受益。

低功耗广域网的实质

虽然应用多种多样,但在用户的网络需求清单中有许多共同的属性,这些属性包括:

低成本——大多数广域物联网应用预期每处安装点都需要数百甚至数千的端节点设备。在一些案例中,比如覆盖城市的停车场所/计费监视,这个数量可能达到上百万。鉴于如此大的量,在判断应用的投资回报(ROI)时单价是一个重要的考虑因素。

低能耗——广域物联网应用很少有本地电源供应。大多数应用将依赖于电池,有些应用甚至需要使用能量收集技术。对于使用电池的应用来说,替换耗尽的电池既是一个艰巨的物流挑战,代价也很高。因此端节点设备中的电池寿命越长越好。

扩展范围——连接到互联网的所有无线网络都需要通过某种接入点才能工作,比如网关、集线器等等。因此一个物联网设计需要同时考虑端点的成本和支持该应用所需的接入点基础设施成本。网络的覆盖范围或从端点到接入点的允许距离对这种基础设施的成本有很大的影响。这个工作范围确定了需要覆盖的应用工作区域接入点的数量和位置,因此一般来说范围越大,基础设施成本越低。

可扩展性——某一时间使用广域无线物联网网络的一个给定装置可能工作得很好,这个网络也有足够的容量处理任何预期的单用户。但随着时间的推移,很可能在相同的地理区域内出现许多不同装置。如果这些不同的装置共享共同的接入点,比如蜂窝电话共享铁塔,那么接入点可以支持的设备数量将成为一个限制因素,要求增加基础设施才能克服。即使它们不共享接入点,只共享频谱资源,装置的增加也会带来噪声电平的增加进而影响应用的工作范围。在最差情况下,可用的信道容量可能被用光,从而完全阻止新的装置投入正常工作。

在比较成熟的无线网络技术中,只有蜂窝和卫星通信可以提供这些应用要求的扩展范围。像ZigBee这样的网状网络有可能覆盖大的区域,但由于需要转发业务,因此可扩展性非常有限。

遗憾的是,蜂窝和卫星通信技术在其它属性方面有短板。它们的无线电要求涉及更高的能量使用和复杂的协议,因而会缩短电池寿命,增加成本到许多应用无法忍受的地步。这部分源于它们的历史:它们最初是设计用来处理语音业务的,而为了处理短消息数据,它们的网络作了糟糕的修改。

虽然如此,一些物联网应用和服务——常称为机到机(M2M)——确实充分利用了蜂窝和卫星通信网络,其中许多基于的是CDMA或“2G”蜂窝技术。遗憾的是,为了将频谱资源释放给更先进的蜂窝技术,服务提供商如今已经开始淘汰这些网络。不过蜂窝行业也作了一些大的改进,希望能以此改善M2M的境况。针对LTE(版本12)的最新规范定义的通信分类0就是围绕M2M业务需求设计的。然而,能量使用和成本仍是其中的主要考虑因素。

这种现状为用于物联网的新的广域无线网络技术打开了大门,这些技术将专注于低功耗、低成本要求。目前至少定义有6种不同的技术,它们的网络部署有的刚刚开始,有的已经在普及,还有3种正在开发过程中。虽然所有这些技术都试图提供相同的关键核心属性,但它们在许多其它系统属性方面均有所区别,而这些属性影响着它们对不同物联网应用的适用性。

理想的低功耗广域网属性

这些其它方面的属性虽然对不同应用来说重要性不尽相同,但仍都值得关注,包括:

漫游——许多应用要求端节点固定在它们的位置上,但其它应用可能要求这些节点在不同接入点服务的扇区内甚至扇区间移动时都能正常工作。大多数广域物联网技术允许节点从一个扇区移动到另一个扇区,但在网络多快地适应变化的关系方面允许它们有不同的性能。

穿透性——一些应用要求端节点位于一幢建筑物内或地下,而接入点位于另一个房间或在外面的地面上。在这些应用中,由于墙体和灰尘的吸收,网络范围可能缩小很多。这种吸收与频率有关,较低的频率一般比较高的频率有更好的穿透性。

短消息处理——虽然一些物联网应用需要频繁地发送大量的数据,但许多应用只发送短消息,而且频度不用很高。一个无线网络高效处理短消息的能力对网络的扩展性和端节点的能量有很大的影响。这种处理能力包括用于连接建立、询问和确认等诸如此类的任何开销。

双向通信——一些端节点可能只需要报告数据,不接收命令,因此对这种应用来说单向链路可能就足够了。然而,双向链路允许通过与接入点进行握手等步骤来提高数据传输的可靠性、通过认证交换来获得更高的安全性,并有足够的带宽支持远程软件升级和端节点的管理。

安全通信——敏感性数据需要在端节点和接入点之间建立安全的通信链路,但即使数据不是敏感数据,安全性仍然是重要的考虑因素。如果没有安全的链路,物联网应用就更易受到诸如欺骗(spoofing)等手段的攻击,此时具有欺骗性的端节点可能向网络注入错误的数据,或具有欺骗性的接入点劫持端节点数据。

更高层的服务——一个特定的广域物联网可能定义OSI模型中的任何层,从只是物理层和数据链路层直到应用层。在某些案例中,网络本身由服务提供商运营和管理,他们将网络上的时间出租给运行他们协议的用户,并向用户提供云服务。其它的广域物联网仅定义较低的层,它们的接入点则连接互联网或专用网络,将较高的OSI层留给用户选择。在这种情况下,随着时间的推移就自然形成了高层服务提供商的生态系统。

市场上各种低功耗的广域网络方案以不同的方式满足这许多需求和考虑因素。每种方案在电池寿命、数据速率、工作频率、可用范围和可扩展性等交互属性之间都做了不同的权衡选择。此外,它们在安全性、定义的OSI层级和漫游支持等属性方面也有不同的选择。这种多样性使得我们无法提供全面的一对一比较,但提供一个比较起点还是可以的。

比较不同的低功耗广域网技术

图1

上面这张表格提供了目前针对物联网应用的低功耗广域无线网络领域中可用的或新出现的主要技术综览。覆盖的属性可以让开发人员快速了解某种技术是否适合他们的应用。不过浏览这张表格中的条目时需要多加注意。大多数条目不是看起来那么简单,在评估过程中需要多加留意。

频带——频带是指某种技术中使用的无线频率。大多数频率处于全球定义的免许可的ISM频带之内,并且在发射功率、信号带宽等方面满足当地法规。然而,Weightless-W和LTE有许可要求,选择它们的开发人员可能需要服务提供商参与。如上所述,频率会影响一种技术可能实现的穿透率。

信道宽度——这个属性反映的是一个应用可使用的网络容量部分,也代表了作为一个整体的网络的可扩展性。一些系统采用传统的频分或时分复用技术,端节点共享信道容量,但其它系统则使用跳频或正交调制机制来实现带宽共享。这是感兴趣的开发人员需要仔细检查的一个领域。

距离——对每种网络给出的距离在很大程度上是根据理想的或一般性条件进行估计的,应该和一些持怀疑态度的人进行商讨。不过在某些案例中,网络由于工作了很长时间,收集有足够的现场经验,因此可以提供可靠的经验估计。在另外一些情况下,需要长距离的开发人员则需要使用链路预算执行更加详细的分析,包括针对理想信噪比、天线增益、吸收、数据速率、衰落和多径预算等因素的估计值,从而确保满足他们的距离目标。LoRa联盟提供了一种方便的链路预算计算器。

端节点发射功率——这个值在很大程度上受限于有关免许可使用的ISM频段的法规。然而在估计一个端节点的总能耗时它很有用,可以与数据包长度和数据速率值结合在一起确定发射所花的时间,并估计必须以多大的频度进行发射。这些值有些是开放给用户定义的,有些则受用户无法控制的网络单元工作模式的影响。

数据包大小——一个端节点可以发送或者已经发送的数据量有多少对不同的方法来说有很大的区别。许多方法允许用户定义负荷的大小,但像SigFox这样的方法则有硬性限制。

上行链路/下行链路的数据速率——一个端节点发送数据的速度影响其它许多计算,包括像能量预算(通过发射所花时间)、可达到的距离(与数据速率、带宽、信噪比和误码率相关的香农定律)以及链路计算中的衰落预算。有些网络技术,比如LoRaWAN,采用了由网络服务器管理的自适应数据速率机制来优化系统容量。下行链路的数据速率决定了远程软件更新、握手和认证协议等的可行性。

每个接入点的设备数——一个给定接入点可以支持的端节点数量与许多因素有关。举例来说,IEEE 802.11ah在它能识别的唯一地址数量方面有限制。另一方面,像RPMA等机制可以支持跟信道容量允许的一样多的设备。从端节点发射的数据越长越频繁,接入点支持的设备数量就越少。这里提供的数值在很大程度上是根据这类因素的合理假设进行估计的,如果设计要求高节点数量,那就应该更加仔细地进行研究。

拓扑——大多数网络使用星形拓扑,其中的端节点与连线互联网的接入点进行通信。也有些网络使用树形结构,其中的接入点与另外一个设备进行通信,这个设备随后再连接互联网,用作许多接入点的汇聚器。Dash 7协议也允许节点到节点的通信。开发人员应该为他们研究的网络技术开发接入点的特性、功能和所有权。

端节点漫游——虽然所有网络都支持将一个端节点从一个接入点重新布置到另一个接入点,但网络可以适应这种变化的速度是不同的。一些网络提供蜂窝用户喜欢的真正漫游类型,方法是通过更高层的网络将移动端节点从一个接入点切换到另一个接入点。其它方案只是按计划的间隔更新它们的网络图,并在更新任何移动过的节点之前加以忽略。需要真正漫游的开发人员应该更加仔细地研究网络工作方式。

管理机构——许多低功耗广域网技术被业界组织开发或管理为开放标准。这意味着开发人员可以使用相关标准开发设备而无需支付许可费用或版税。然而,管理机构可能需要会员资格才能获得对标准或服务的访问,以认证设备与标准的兼容性。其它技术则是个别公司的财产,这些公司将其技术许可给客户,或将网络作为服务提供给客户。拿LoRaWAN来说,该协议由LoRa联盟进行管理,但物理层的调制方案由Semtech公司所有,只能通过许可获得,或通过从许可的制造商购买无线电设备获得。开发人员应该与管理机构一起核对细节。

状态——用于物联网的低功耗广域网的开发正在如火如荼地进行中,新的技术层出不穷。这张表格让我们知道了可用于指导开发的大量实际经验以及可用的大量第三方支持。已经得到应用的这些广域网技术更可能获得经验和支持。诸如IEEE 802.11ah和LTE Category M等一些标准仍在定义中,即使是列出来的属性也会发生变化。

下一页:低功耗广域网技术总结


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