低功耗無線通信技術的應用和展望

2018-04-10 來源:a&s智慧生活 我要評論(0) 字號:

本文作者:弋方 恩智浦半導體大中華區微控制器事業部市場經理

近年來,無線技術迅速發展,尤其在消費類場景里,各種應用層出不窮,本文主要探討主流低功耗無線技術的應用和展望。

從通信距離和組網方式來說,分為局域網和廣域網,從應用場景來說,又分為高速率的多媒體音視頻,中等速率的無線音頻流媒體,低速率的控制傳感數據。這些標準各有所長,在各自的領域里扮演著重要的角色,共同構建了一個豐富而動人的現代信息世界。

隨著智能設備的數量迅速增加,越來越多的設備需要具有聯網能力,據預測,到2020年,將有超過300億的設備具有和其他設備的無線通信能力。而這其中,數目比例最大的,就是低功耗無線局域網設備。

以智能配件為例,越來越多的設備支持藍牙協議。藍牙協議,分為經典藍牙和低功耗藍牙,經典藍牙適用于音頻流媒體傳輸,諸如無線耳機麥克風等,低功耗藍牙適用于遙控器,手環,燈,家電等需要和智能手機直接相連并且接收控制的設備。據預測,2019年,藍牙設備數目將超過44億臺,這其中,低功耗藍牙占據了絕大多數。

從組網方式來說,藍牙采用的是星型組網,既手機或電腦作為中心,其他設備通過藍牙協議連接至中心(圖1)。這種組網方式的優點是簡單易用,而且組網方式清晰直觀,用戶可以通過很簡單的連接邏輯來進行設備的配對和使用。

圖1. 藍牙星型網絡連接

目前低功耗藍牙的最新版本規范是BLE 4.2和BLE 5.0。在BLE 4.2規范中,增強了安全機制,對于涉及電子支付的應用和安防應用,這是非常有必要的。BLE 5.0規范中,增加了2Mbps模式,這對于數據傳輸速率是一個不小的提升,除此之外,還增加了一些新的特性。恩智浦作為一家領先的半導體公司,在低功耗藍牙領域,最新的產品可以支持BLE4.2 規范和BLE 5.0,廣泛應用于消費類,工業類,醫療類等諸多領域。

而隨著智能家居的發展,這種星型組網方式也暴露出了局限性,因而,需要一種全新的組網方式,既Mesh網絡(網格網絡)。在Mesh網絡中,節點之間可以直接進行數據的傳輸,這樣有效地提高了工作效率,并且在復雜室內環境中有了更好的表現。

目前來說,藍牙組織最新的Mesh協議(以下簡稱BLE Mesh)是一種基于網絡泛洪的協議,這主要是因為這種泛洪的模式簡單而易于實現。但是,這種實現方式也是利弊參半的,因為是網絡泛洪,不利于節點的低功耗優化,也不利于節點數目大規模提升。

圖2. 藍牙Mesh網絡連接拓撲圖(圖片來源/www.bluetooth.com,Mesh Profile Specification 1.0)

在低功耗無線Mesh網絡中,還有一個標準,叫做Zigbee。Zigbee是天然的Mesh網絡,和BLE Mesh網絡不同之處在于,Zigbee是基于路由協議的,這一點,比BLE Mesh更勝一籌。我們看到,在目前諸多物聯網應用中,Zigbee已經大放異彩,比如Amazon最新的產品echo plus,已經全面支持Zigbee,可以直接用來控制其他Zigbee設備如照明燈。

圖3. Amazon echo plus. (圖片來源:www.amazon.com )

Zigbee目前最新的版本是zigbee 3.0,這個版本,將互操作性和兼容性提升到了一個新的高度,為智能家居等應用做好了充分的準備。

圖4. Zigbee協議框架圖(圖片來源:www.zigbee.org/zigbee-for-developers/zigbee )

和Zigbee類似的還有一個標準,叫做Thread。可以看到,Thread和Zigbee采用的相同的物理層即IEEE802.15.4。Thread的不同點在于其基于IPv6路由協議,每一個節點具有一個IPv6地址,這樣做的優勢在于節點可以方便地被云端所尋址。

圖5. Thread協議框架圖

對于Zigbee和Thread協議,恩智浦都提供了對應的單芯片解決方案,甚至還提供了一種多模解決方案,可以在同一芯片上同時運行Zigbee/Thread以及低功耗藍牙協議。這種雙模的設計,為產品設計提供了更加靈活的方式。例如對于門鎖應用,客戶可以通過手機藍牙連接門鎖進行開鎖操作,離開家之后,門鎖可以通過Zigbee網絡接入家庭網關從而接入云服務,實現遠程門鈴,安防等諸多應用。

除了上述的低功耗無線局域網協議外,還有若干低功耗廣域網技術,比如NB-IoT和LoRa。

NB-IoT主要利用運營商的基站,可以提供低功耗低速率的連接,在智慧城市中有大量的應用場景,比如路燈,水電表集抄,車輛管理等等。目前在國內運營商的推動下,已經有城市進行了規模化的商業運行,并取得了不錯的成效。

LoRa技術,需要用戶自己建設基站,但是由于采用了先進的信道編碼技術,LoRa節點的接收靈敏度可以到達-142dBm,可以實現超低功耗下的長距離通信,最長通信距離可以達到30公里。對于LoRa應用,恩智浦可以提供低功耗的MCU來運行其軟件協議棧。

萬物互聯,安全為先。

當物聯網中的節點數目達到一個驚人的量級的時候,安全問題必將成為一個關鍵環節。要解決安全問題,必須從多方面綜合考慮,比如添加安全認證芯片,引入防拆解技術,增加安全啟動,進行通信加密等。

展望前景

未來的世界一定是一個充分互聯的,并且人類可以通過各式各樣的設備無感接入。傳感節點需要低功耗,Mesh網絡,安全,IP可尋址,并且具有一定的節點運算能力來實現邊緣計算,云端則需要基于人工智能來實現數據建模與分析,并最終進行決策和執行。

就低功耗無線網絡而言,應用場景的復雜性,決定了沒有哪一種網絡可以適用于所有場景,在未來很長一段之間之內,本文提到的各個標準將會共存。

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