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物联网和近距离无线通信技术
2018/8/18 13:45:00 1510

物联网和近距离无线通信技术

2010102105:19

物联网和近距离无线通信技术
福富软件公司首席架构师/卢捍华
概述
物联网是从英语“The Internet of Things”翻译而来的,它是一个很大的概念。当前的电信网、Internet等网络连接的主要是人与人、计算机与人、计算机和计算机,而物联网意味着更加广泛的互联,包括人、计算机和其他物体。正因为这种广泛的互联,将使物联网需要很多新的技术,也有很多个性和特点。这些都使得其在网络的组织、应用和市场模式等方面将与传统网络有很多不同之处。
自去年下半年以来,物联网这个话题为人们所热议。有人估计,物联网产业的经济规模将是现有Internet30倍。无论从历史的发展,还是从网络的现实来看,笔者觉得这一估计一点都不过分。
从历史上来看,从18世纪的工业革命,到21世纪的美国信息高速公路,技术发展推动经济发展和社会进步的例子俯拾皆是;从现实来看,Internet的出现已经极大地改变了人们的生活方式。如果把网络比作人类的血液循环系统,那么,物联网中的传感网相当于毛细血管的网络末梢,这个末梢目前还基本上是空白。正如人的毛细血管的长度占了整个血管长度的90%以上,物联网末梢的规模同样是惊人的,例如,有人估计,一个家庭大约需要200个左右的传感和控制节点。
广泛的互联伴随智能化的发展,将给社会和人们的生活带来革命性的变化。今天,我们可以足不出户了解整个世界发生的大事,未来我们可以足不出户了解世界任意角落发生的我们想知道的事情。通过迅速部署和广泛安装的传感网,救灾人员可以了解灾区的各种信息,以保证及时救灾;煤矿管理者可以了解矿井安全情况,防止矿难的发生;农民可以及时了解气候和土地墒情,适时灌溉并节约用水;家庭成员可以随时了解冰箱中的储物情况,避免变质而浪费;我们甚至可以像孙悟空那样,画地为牢,建立没有围墙又严密防范的重要区域。总之物联网将渗透各行各业和人们的生活,带来巨大的经济效益和社会效益。
任何技术的发展除了带来好处以外,必然会产生各种各样的问题。Internet的发展为我们带来通信的便利,但也带来网络攻击,网络犯罪等一系列难以预料的问题。由于物联网涉及更为广泛的连接和更为复杂的功能,它所产生的问题会更为棘手。当然,我们不会为此因噎废食,而是应当积极应对,或防患于未然,或亡羊补牢,因为社会和技术的发展就是在这种循环中进行的,试想,如果如今仍然过着日出而作,日落而息,自给自足的农耕日子,我们能知道网络防火墙是何物吗?
物联网是社会需求和技术两方面发展的结果,社会需求促使人们去努力发展技术,而技术的成熟使物联网逐步成为现实。物联网将建立更广泛的连接,更到位的感知和更深入的智能。有鉴于此,在物联网关键技术中,无线传感网技术无疑占有非常重要的地位,它可以实现广泛的连接和传感,为智能化奠定坚实的基础。无线传感网的主要内容是传感和无线传输,在无线传感网中,由于需要在很小的范围内布置大量的无线节点,近距离无线通信技术在其中占有非常重要的地位。
技术概要
近距离无线电通信没有一定的定义,属于这个范畴的可以有通信距离为5~100米的无线个域网(WPAN)技术,也可以有射频标签(RFID)、近场通信(NFC)等一些非常短距离的通信技术,有时红外通信也被划在这一范畴。这些技术的共同之处是点到点的通信距离非常短,一般不超过100米,有的甚至短到微米级(例如,采用UWB技术进行集成电路内部的连接)。近距离通信的速率差别也很大,每秒数百bit直至每秒数百Mbit甚至每秒Gbit的数量级。下面的图给出了一些典型近距离无线通信的通信距离、通信速率和应用的情况,以及它们与WLAN、蜂窝通信的对比。
 
典型近距离无线通信技术的概况

由于近距离无线电通信的应用非常多样化,要求各不相同,所以,多种标准和技术并存的现象会长期存在。例如,需要宽带传输的视频、高速数据可以采用UWB技术;对速率要求不高的,但对功耗、成本等有较高要求的无线传感网可以采用ZigBeeZ-Wave及与其相似的技术;对于非常近距离的标签无线识别应用,则可以采用NFCRFID等无线通信技术。
从使用的频率上来看,多数近距离无线通信使用的是ISM(工业、科学、医疗)频段,在限制功率的前提下,对频率的使用不需要许可。遗憾的是除了2.4G这个频段以外,其他频段各国的规定各不相同,因此,有些标准会给出多个频段。UWBNFCRFID使用频段的情况有所不同,前者由于近似白噪声通信,平均功率密度非常低,使用高频率(例如,3.1GHz~10.6GHz)的频段和非常宽带宽(例如4~7GHz);后二者由于通信距离非常短,发射功率极低,所以使用的频段限制相对较为宽泛。例如,RFID就有使用低频(125KHz134KHz)、高频(13MHz)、超高频(868~956 MHz)、和微波(2.4GHz)等不同频率的产品。
在标准方面,当前无论在哪种应用领域,都是一种群雄蜂起的战国局面,有多个组织和多种标准存在,例如,IEEEISO/IEC以及一些民间组织,如ZigBee联盟、Z-Wave联盟等。有些技术的标准往往是一些组织之间的分工合作的结果,例如,ZigBee技术标准就是由IEEEZigBee联盟合作的产物。
在近距离无线通信方面,IEEE的工作比较令人瞩目,IEEE 802.15工作组分设了七个任务组(TG),在以下几个方面对近距离无线通信技术和标准进行研究:
Ÿ TG1 从事蓝牙标准的制定、 
Ÿ TG2 协调ISM频段WLANWPAN的共存、 
Ÿ TG3 高速多媒体标准的制定(UWBWiMedia 
Ÿ TG4 低速WPAN标准的制定(ZigBee 
Ÿ TG5 无线网状网技术在WPAN中的应用、 
Ÿ TG6 人体内部无线通信标准的制定、
Ÿ SGrfid RFID技术在WPAN的应用。 
下面我们介绍两种典型的近距离无线通信技术-ZigBeeUWB技术。
ZigBee标准的主要制定组织是IEEEZigBee联盟,前者工作重点在协议底层(IEEE 802.15.4),后者在于高层。ZigBee标准于2004年开始推出,后来又发布了ZigBee2006ZigBee2007两个版本。 ZigBee技术具有以下特点:
Ÿ 近距离(<100米)和低速率(<250kbps); 
Ÿ 极低功耗,电池供电可以维持数年甚至20年; 
Ÿ 多种拓扑结构; 
Ÿ 支持不同的网络规模(最大可达6万节点); 
Ÿ 高层节点数可达1000以上(2007版); 
Ÿ 自组织网络支持节点的灵活加入和退出。
由于具备这些特点,所以它特别适合无线传感网的应用。
ZigBee的工作频段有三个,分别是868MHz915MHz2.4GHz868MHz频段主要用于欧洲,有一个信道,传输速率为20kbps915MHz902~928MHz)频段用于美国,有10个信道,每信道传输速率为40kbps2.4GHz40个信道,每信道传输速率可达250bps
ZigBee的网络拓扑结构可以是星形、网状或混合结构,如下图所示。
 
ZigBee的网络拓扑结构

ZigBee的节点有两种,一种是全功能节点(FFD,图中绿色和红色的节点),另一种是限制功能节点(RFD,图中的蓝色节点)。RFD结构比较简单,但只能与FFD通信,用于终端节点;FFD则可以用于终端节点和中继节点。
每个ZigBee网络需要有一个协调节点(图中的红色节点),必须由FFD承担。
ZigBee可以广泛用于各种传感网和监控系统,近几年来发展十分迅速。已经生产的芯片主要是集成无线收发器和用于协议栈和应用处理的微处理器的片上系统(SoC)。芯片成本较低,目前为2~3美元,据称最终可达一美元以下。
ZigBee的一个有力竞争对手是Z-Wave,由丹麦Zensys公司开发,后来成立Z-Wave联盟,2007年以后,该联盟得到MicrosoftCisco等通信和计算机大公司的支持。和ZigBee不同,Z-Wave从开发伊始就紧盯家庭自动化应用,从技术的角度来看,它没有特别的优势,其工作速率低于ZigBee,组网方式和网络规模也不如ZigBee,但由于其针对性强,协议更加简单,便于实现,成本有望更低、更易于普及,所以近年来,Z-Wave在家庭自动化方面得到广泛的应用。笔者在美国市场上就看到多款基于Z-Wave家庭电气控制产品,但没有见到基于ZigBee的类似产品。
ZigBee不同,UWB(超宽带无线通信技术)的主要应用是短距离的宽带传输。UWB的概念出现得很早,过去主要用于军事通信,2002年,美国联邦通信委员会批准作为个域网技术开放使用,从那以后,在民用领域得到很快的发展。根据美国FCC的要求,用于无线个域网的UWB技术应当具有以下特性:
Ÿ 使用FCC开放的3.1~10.6GHz频段;
Ÿ 功率密度低于- 41.3dbm/MHz
Ÿ 传输速率为:10m距离上110Mbit/s4m距离上200Mbit/s1m距离上480Mbit/s 
Ÿ 同一空间支持4个微微网同时工作。 
由于占用极宽的带宽和非常低的功率密度,UWB具有以下可贵的特性:
Ÿ 占用频带极宽,达4~7.5GHz,而移动通信不过几百kHz~几十MHz 
Ÿ 传输速率高,有望达到千兆bit/s的速率; 
Ÿ 空间容量大,可达1Mbit/s/m2,相比之下,802.11b仅为1kbit/s/m2 ;蓝牙仅为30kbit/s/m2  
Ÿ 穿透能力强,极宽的带宽有助于微波信号的穿透; 
Ÿ 抗干扰性能好,因为信号的频谱类似白噪声,对其他类型的无线通信来说,容易滤除,又由于有极宽的带宽,也不易受其他信号的干扰。 
当前UWB技术主要分两大阵营,即DS-UWBMB-OFDM
DS-UWB方案使用的是脉冲无线电技术,提交给IEEE802.15工作组的是一些掌握大量脉冲无线电专利的小公司。这是一种无载波技术,发送的是极窄的脉冲信号。由于没有载波,不需要调制解调,所以实现简单,平均功率低,成本也相对较低。
MB-OFDM方案则是用多波段OFDM复用实现数据的传输,其频谱特性也符合对UWB的要求。提交这一方案的是一些大的通信和计算机公司,如IBM、微软、惠普、诺基亚、索尼等。
两种方案各有千秋,DS-UWB商用较早,但MB-OFDM有后来居上之势。特别是MB-OFDM已经被USB联盟采纳,作为无线USB底层的传输手段,使其前景更加光明。
应用
作为一个体系,物联网的实现还有很长的路要走。在物联网时代,可以将当前遍布世界的Internet看做是整个网络的骨干部分,末梢部分将是由各种不同的局部网络和节点组成。由于需要广泛的部署和分布,这些节点和今天的网络节点会有很大的不同。不同的应用会有不同的要求,为了适应不同的要求,这些节点应当做到:
Ÿ 能够在较小的空间里密集分布;
Ÿ 长寿命、低功耗、低成本、小型化;
Ÿ 能够在恶劣环境下长期工作。
整个物联网必须实现个域网、局域网、广域网的有效互联,在此基础上,开发各种应用,最终实现各方面的自动化和智能化。
当前,物联网在工业、能源、交通运输、医疗、农业、气象、环保等领域的应用已经开始起步,但还是一些局部的应用,例如,有资料称,上海浦东机场防入侵系统铺设了3万多个传感节点,覆盖了地面、栅栏和低空探测。多种传感手段组成一个协同系统后,可以防止人员的翻越、偷渡、恐怖袭击等攻击性入侵。即使这样,也只是一个局部的应用系统,物联网就是要将千千万万个这样的系统连接起来,为社会和大众提供更为智能化的服务,方便人们的生活,也为社会经济的可持续发展提供更有效的保障。
如何着手进行物联网的普及是一个十分重要的问题,末梢网络及其应用的建立是物联网发展的关键,而近距离无线通信技术在末梢网络中起着至关重要的作用。不言而喻,物联网还是一个新生事物,其发展过程中会产生这样或那样的问题(例如安全、犯罪等),这些问题还有待于我们研究解决。但我们不能因为问题的存在而裹足不前,应当采取积极稳妥的方针。参照Internet的发展可以看出,物联网的发展将是一个星火燎原的过程:逐步建立的末梢网络将会为局部的应用带来好处,这些局部应用普及以后,会改变人们的行为习惯,也会为广泛的互联和更高的智能化奠定基础,届时各种技术逐步成熟,为人们广泛接受,物联网的发展就水到渠成,展熊熊燎原之势了。
综上所述,在实践和商务方面,物联网发展的初期不宜急于建立和推进面面俱到的体系和系统,而应当从最需要的应用出发,开发一些能够体现物联网技术优越性的简单产品和局部的应用。拿智能家庭来说,人们或许会对全面的家庭智能化抱有不信任和畏惧之心,难以接受一下子全面展开的家庭智能化系统,但我们可以利用物联网技术的一些优越性来解决诸如布线、开关遥控等实际问题,为人们的生活带来便利,然后逐步深入,待人们习惯了这些技术以后,逐步向系统化推进。人们对Internet的依赖不也是从单一的Web应用逐步迈向各个领域的吗?