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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

低功耗广域网技术总结

除了这里列出的一些技术外,还提供了几种交钥匙系统。它们向开发人员提供了系统的所有单元,从端节点设备到后端云的支持。这些系统的目标应用是用户想要现成硬件的应用,以便更加专注于数据分析。

这些交钥匙系统中最成熟的是Telensa公司的系统,如今全球安装有900万个设备,其中许多是民用应用,比如停车计费、公用事业监视、路灯照明和环境监视。Telensa系统使用低数据速率、亚GHz ISM频带的双向超窄带通信。

针对传感器类型的物联网应用,Helium提供了一种系统——现在正在beta用户那儿使用——这种系统的结构可提供分布式计算。Atom端节点有一定的处理能力,Element接入点则有更强的处理能力。用户因此具有定义多少原始数据发送至网络、哪种处理和动作可以在边缘实现的灵活性。该系统使用基于802.15.4标准的无线电设备。

新创企业Samsara的目标也是传感器类型的物联网应用,但所供产品的技术细节披露很少。该公司目前只将技术开放给特定的用户,虽然这些技术对想要尽早访问其系统的其它用户也是开放的。

对于那些寻求蜂窝替代技术而无法等到LTE Cat-M商用的人来说,M2M Spectrum Networks等公司正在搭建专门满足物联网应用需求的蜂窝网络。M2M在向最终用户提供设备和服务的同时,还与网络服务提供商一起合作来扩展他们对这种设备的支持。

随着种类越来越广泛的技术的出现,低功耗广域网的前景仍然相当不稳定。在选择缩小到少量强大且稳定的候选技术之前还有很多年要过。为了帮助加快这个过程,以便业界能够从广泛标准化和互操作性激励的增长机会中受益,业界成立了无线物联网论坛。该组织组建了工作组来审查现有的API和无线电访问标准,目的是帮助推动业界在一些核心选择上保持一致。

然而,在达成一致意见之前,开发人员需要仔细地选择他们的物联网系统基于哪种低功耗广域网技术。随着业界经历不可避免的合并,这不仅涉及许多选择的技术性评估,而且涉及对这些技术生存潜力的评估

Ingenu

Ingenu(以前的OnRamp)开发的RPMA低功耗广域网给开发人员提供了收发器模块,这个收发器模块可以连接到Ingenu公司及其合作伙伴在全球范围内搭建的接入点网络。这些网络将来自端节点的消息转发给用户的IT系统。那些想要搭建私有网络的人也可以获得接入点设备和网络设备。

在随机相位多路访问(RPMA)收发器和接入点的共同工作下,用户可以管理他们通信的容量、数据速率和范围。接入点和端模式与在预定义帧内发送信号的端节点保持同步,但使用距帧开始点随机的延时。端节点也根据接收到的接入点信号强度选择发送的扩展因子。接入点在接受数据之前会对接收信号进行解扩展、解交织、维特比译码,然后执行CRC检查。随着网络使用率的提高,接入点可以命令端节点降低它们的发送信号强度,以便减少它必须处理的节点数量。

Ingenu的RPMA的安全性包括双向认证、256位加密和16字节的哈希运算,因而能够有效地保护消息流量。这种方案允许网络向端节点提供授权的固件升级,并能确保消息的完整性和回放保护。

图2

SigFox

SigFox的低功耗广域网产品是一种完整的端到端系统,始于经过认证的调制解调器,终于基于网络的设备,用户通过配置可以将设备消息转发给他们的IT系统。开发人员必须要么从SigFox获得调制解调器的许可,或者从通过认证的制造商那里采购调制解调器,然后把它们集成进他们的物联网端节点设备设计中。第三方服务提供商可以提供与SigFox兼容的接入点网络,用于处理端节点和SigFox服务器之间的业务。SigFox服务器管理端节点设备,并通过基于网络的API向用户提供他们的数据业务和其它信息。

为了提供安全性,SigFox系统使用跳频技术来避免消息被截取,并使用服务器中的防回放机制避免回放攻击。在发送过程中发出的数据内容和格式是用户定义的,SigFox系统对这些数据都是透明的。只有用户知道如何解释设备中的信息。

图3

Dash7

Dash7协议定义了端节点、子控制器和网关之间的通信机制。典型配置要求节点先与子控制器通信,然后由子控制器将消息转发给网关并传送至互联网。端节点还能彼此直接通信。这种通信使用异步的命令-响应机制,由端节点周期性地醒过来扫描命令。端节点在有消息需要发送时也可以请求子控制器立即发起通信。这样的系统可以向端节点发送基于属性的组播查询,并允许端节点只在满足条件时才进行响应,比如带温度传感器的所有节点,甚至是报告温度超出特定阈值的那些节点。

在安全性方面,Dash7协议使用AES-128加密算法,并提供“隐身模式”,此时端节点可以被配置为只响应预先核准的设备。

图4

LoRaWAN

LoRaWAN架构是一种“星状星”结构,其中的网关用作端节点设备和网络服务器之间的透明桥。端节点和网关之间的无线跳频接口使用Semtech公司及其授权商提供的私有啁啾扩频无线机制。这种网络结构允许三类端节点设备。A类(双向)设备有一个预先安排好的上行链路传输窗口,后面再跟两个短的下行链路接收窗口。B类设备还有额外安排的下行链路窗口,C类设备则有接近连续的开放接收窗口。这种无线机制允许网络服务器通过自适应速率算法管理每个联网设备的数据速率,从而确保在本地无线电条件下实现最优的系统性能。LoRa连接允许在负荷和距离之间折中。

LoRaWAN的安全性包括使用唯一的网络、应用和设备密钥加密不同OSI层的数据。

图5

nWave

nWave技术是一种超窄带(UNB)无线技术和通信机制,如今被用作新的Weightless-N标准的样板。nWave公司为那些想要搭建自己专用网络的开发人员提供无线电模块、通用的调制解调器和基站收发器,并与Weightless兴趣小组一起合作开发类似的公共网络。

图6

Weightless

Weightless是在Weightless兴趣小组控制下的三个低功耗广域网标准的集合。最初的Weightless-W要求使用原本由Neul开发的技术的无线链路使用电视空白信号频段。数据包大小和数据速率是灵活的,取决于用户需求和链路预算。确认和非确认消息都有,与来自接入点的组播和来自端节点的中断消息保持一致。在安全性方面,端节点和服务器使用的共享密钥支持AES-128加密。目前已经建有不少专用的Weightless-W系统,但Weightless兴趣小组暂停了公共网络的建设,直到国际上对空白频段的使用达成一致意见。

Weightless-N标准基于的是nWave的超窄带低功耗广域网技术,目标应用是只需要单向数据传输的低成本应用。Weightless-N基站可以由不同的服务提供商运营,仍然可以与设备进行交互操作,每个基站通过询问中央数据库来确定端节点与哪个网络关联。这个标准最近才发布,并在伦敦和其它欧洲城市开始实施部署。Weightless-N使用与Weightless-N相同类型的安全技术。

Weightless-P标准正在开发过程中,计划在2015年晚些时候发布,硬件要等到2016年初。Weightless-P链路基于的是原本由M2 Communication公司开发的组网技术,可提供完全确认的双向通信。Weightless-P与Weightless-W共享MAC层,并支持快速网络获取,可以在基站间实现漫游端节点设备的切换。

图7

802.11ah

鉴于WiFi对消费类物联网应用来说非常流行,难怪IEEE要研究将该技术扩展到低功耗的广域网络应用了。方法是创建改进的PHY和MAC层,以便为物联网应用提供支持。PHY层的射频链路使用32音或64音的正交频分复用(OFDM),实际上是IEE 802.11ac PHY的亚吉赫(sub-GHz)变种。这种OFDM技术将支持多种调制机制,包括BPSK、QPSK和16-QAM至256-QAM。

MAC层允许三种站。流量指示图(TIP)站通过侦听接入点信标来判断何时发送或接收数据。Non-TIM站与接入点协商建立传输时间分配,并且可以根据需要再次协商传输时间。计划外的站可以在需要时向接入点发送轮询帧来请求对信道的访问。这个标准仍在开发过程中,初始版本将在2016年发布。

图8

LTE Cat. M

3GPP正在定义一种新版本的LTE蜂窝技术,这种技术将定义以物联网应用为目标的M类设备,希望能替代目前的2G蜂窝物联网系统设计。规划中的节电措施是将端节点设备的睡眠模式选项从最大2.5s延长至近15min,并降低目前Cat-0类设备的数据速率。双向通信使用半双工方式进行。该标准仍在定义过程中,下面列出的细节可能会有变化。

图9

《电子技术设计》2016年3月刊版权所有,谢绝转载。


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