支持M2M應用的無線網絡技術及發展

2019-11-03 09:24:57

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供稿：網友

雷震洲

　　摘要　將來當計算機和通信設備遍布所有地方時，通信不僅是人—人和人—機之間，而且還包括機—機(M2M)之間的通信。在未來某一天，由機器產生的流量將大大超過人—機應用和人—人應用產生的流量。大量M2M應用需要用各種無線網絡來支撐。本文旨在介紹迄今可用于機對機應用的各種無線網的特點和優劣，包括WiFi、藍牙、ZigBee、無源RFID和802.15標準。

　　關鍵詞　無線　網絡　機對機　應用

　　1、引言

　　將來，更為重大的發展也許不再是現今互聯網上的PC和移動網上的手機，而是具有通信性能的其他設備。能夠上網的設備或器具將比現在廣泛得多，包括從電視機到MP3播放機，再到電子報刊、智能大樓，甚至于電冰箱等家電，它們如同互聯網上的計算機一樣工作，形成機對機(M2M)的通信方式。隨著射頻標識(RFID)和傳感器的大量使用以及網格計算的應用，目前尚處于早期階段的機對機應用將逐漸趨于成熟。在未來某一天，由機器產生的流量將超過人—機應用和人—人應用產生的流量，甚至可能占據全部流量的絕大部分(目前所占百分比很小)。

　　機對機應用意味著在傳統上不聯網的設備或器具(例如空調機、安全系統和電梯等)之間傳送遙測、遙控信號。M2M不僅僅是并行處理，而是分布式計算的使能器。它能使一個家庭變成一臺超級計算機，在所有的家庭用具內都裝有嵌入式的處理器。

　　在企業中M2M有兩種初期應用：監視和控制。監視應用包括資產跟蹤、庫存管理和供應鏈自動化。一家制造商可以使用RFID標記來跟蹤產品部件在廠內的流動情況，或者對倉庫內箱子進行定位。在這種應用中的數據傳送是嚴格單向的，不需要傳送任何響應信號。控制應用比較復雜，需要基于多個來源的輸入做出決定，再把決定回送出去。例如，一個分布式溫度傳感器網絡可以控制一個取暖系統，節省開支。運動傳感器可以檢測到有人走向電梯，然后為此人調用電梯，可以節省時間。這種利用無線的大樓自動化將變得更加成本有效。

　　為了促進機對機應用的發展，需要給所有移動物體賦予無線通信功能，給所有難以安裝固定線路的地方賦予無線通信功能，給所有執行命令、驗證和控制功能的器具(包括用戶隨身配件)賦予無線通信功能。顯然，當單芯片無線電便宜得足以附著于幾乎所有東西時，我們就需要考慮用相應的無線技術來形成新的網絡，這些網絡把人完全排斥在外，而把各種電氣用具，甚至把類似雜志這樣的惰性物體連接在一起。只要在無線覆蓋范圍內，就可以形成M2M的連接。但是用什么無線網來實現M2M連接是一個困難的技術選擇問題。本文主要介紹在企業中實現M2M連接時可以選用的幾種無線技術。

　　2、WiFi

　　WiFi現在是一種用得較多的無線技術。除了在筆記本電腦中，目前在許多網絡設備(Cisco的所有路由器和交換機)中也增加了處理802.11協議的能力，就像處理以太網和ip一樣方便。

　　由于WiFi在企業中已經非常普遍，故自然會考慮選用它來提供M2M連接。目前，諸如Airespace、Trapeze Networks等無線交換機廠商，已經推出能夠實時跟蹤器具的軟件。Intel出資的新興公司Bluesoft甚至已經在銷售基于802.11b的RFID標記，一片小小的用電池供電的網絡接口卡。

　　把WiFi用于M2M連接的主要優點是使用現有網絡、速率高(WiFi的速率大大超過處理遙測所需的數據量)、前后兼容性好。還有一個好處是可以把語音、遙測和RFID融合在一起，一網多用可以簡化管理、降低成本、減少干擾。

　　使用WiFi的缺點包括功耗大、成本高、協議開銷大、需要接入點。目前在一個器具上增加WiFi至少需要15美元。Bluesoft標記的價格是65美元。雖然成本還會下降，但近期仍只能用于跟蹤價值較高的資產。一個倉庫可能只會把Bluesoft標記用于它的鏟車，而不會用于鏟車搬動的箱子。WiFi是一個無中繼轉發能力的單跳網，器具只能連接到接入點(AP)。AP之間的連接、AP與其它網絡的連接往往通過常規的有線以太網。如果已經用于其它以太網業務的同一布線再用作WiFi回傳，就需要進行認證或把WiFi無線數據包隔離開。要不，你就不得不安裝新的纜線和交換機。

　　現在，許多新興公司正在推進WiFi網狀網，其內AP被用作路由器，彼此自動發現，可經過幾跳轉發業務。但網狀網結構主要設計用于室外，在AP之間要求視距，使它們更適用于服務提供商，而不是企業。目前也有兩家公司生產樓內使用的網狀網系統。這兩家公司是Strix Systems和Firetide，它們使用自己專有的AP連接協議，但方法有所不同。Strix的AP包括分開的用于網狀網協議和用于802.11的無線電設備，而Firetide的專門設備只支持它自己的協議。所以，Strix方案更適用于新的網絡，Firetide的方案比較適用于已經有標準化AP的企業。還有一些其它廠商也打算提供WiFi網狀網系統，但短期內它們的系統不可能實現互操作，因為至今連互操作標準的建議草案都沒有，預計在2007年之前不可能推出互操作標準。

　　3、藍牙

　　藍牙技術在成本和耗電上勝過WiFi，從表面看它似乎沒取得太多成功，但實際上內裝藍牙的器件幾乎已是WiFi的兩倍之多。目前，它們大多數用在移動電話和消費類電器上。但同時含有WiFi和藍牙的筆記本電腦和PDA正在為新的企業應用打開方便之門。藍牙最初是瞄準語音的，但由于它功耗低以及比較安全，所以用于遙測也應該是比較理想的，藍牙傳感器的市場預期會很大。

　　然而，藍牙不是一種組網技術，它只能連接8個器件，通信距離也短。這些限制意味著只有當與其它無線技術配合使用時，藍牙才更加有用。在移動網中，藍牙可以轉發來自頭戴耳機的語音、來自筆記本電腦VPN業務、來自汽車的導航數據。在局域網中，則可通過WiFi來轉發遙測信號。

　　舉一個例子，Cisco雖然自己不生產藍牙設備，但它正在推進這種系統在醫院的應用。病人戴著裝有藍牙的小設備，它能夠監測脈搏、血壓和其它重要數據，護士則帶著裝有WiFi和藍牙的PDA。無論何時，當護士檢查某病人時，PDA就自動下載來自監測設備的數據，并把數據送到醫院的WiFi網。病人用的小設備不能直接把數據送到WiFi網，因為WiFi需要太多的電池功率，而且與敏感的醫療設備容易產生干擾。

　　從長遠看，藍牙可能被超寬帶(UWB)技術取代。UWB是一種能夠提供高速率低功耗的無線電新技術。但在短期內，UWB面臨許多技術問題和政策問題。2004年2月，802.15工作組的UWB標準化工作陷入了僵局，對來自Intel和Motorola的不同建議難以做出決定。而Intel采取了分道揚鑣的做法，另立門戶成立了多頻段OFDM聯盟(MBOA)，繼續制定它自己的規范，然后再提交給IEEE批準。估計到2004年末將形成事實上標準，2005年中期推出首批產品。

　　但即便UWB面世，它也不可能馬上取代藍牙，因為藍牙已經存在多年，在成本上UWB無法與它競爭。故UWB早期的主要應用估計只是作為一個480Mbit/s無線USB端口，用來連接PC與外圍設備(如打印機或顯示器等)，要取代藍牙大約還要等5到10年。鑒于此，Intel在成立MBOA的同一天收購了藍牙芯片公司Mobilian。Intel聲稱，它今后要推出的Centrino2平臺將包括藍牙和三種類型的WiFi。

　　4、ZigBee

　　雖然藍牙和WiFi都可以用于監視和控制，但它們原本都是為其它應用設計的。以往802標準的技術中沒有一個是為遙測而設計的，研究重點始終放在提高速度上，高了還要高。為此，802.15工作組為遙測專門設計了一種無線電技術，編號為802.15.4。它不提供WiFi那樣的高速率，也不提供藍牙那樣的QoS。它的目標是芯片功耗低、成本低(僅幾美元一個)。像藍牙一樣，802.15.4也采用抗干擾性好的跳頻技術。與藍牙不同的是，由于采用了ZigBee輕量選路協議，它還能夠形成全網狀網，不需要接入點。開發802.15.4產品的廠商還成立了ZigBee聯盟，它的作用與WiFi一樣，所以現在知道ZigBee的人比知道802.15.4的人還多。

　　802.11是面向基礎設施的，藍牙是面向移動電話的，而ZigBee是面向網絡的。ZigBee可能會成為802.15技術中最重要的一個，但它所形成的網狀網如何適配于現有網絡目前還是問題。預計包含ZigBee的第一批器件將是可以遙控的熒光燈泡，2004年底可以提供。燈開關是可移動的，人在暗處的任何地方都可把燈打開。這種應用可能很受消費者歡迎，但企業感興趣的將是傳感器。企業應用需要很好的安全性。ZigBee現在還沒有完整的規范，估計規范中將包括針對不同應用的不同級別的安全性。

　　除了安全性以外，ZigBee還存在一些其它問題。其中之一是物理層不統一，IEEE定義了兩種類型的802.15.4，分別在900MHz和2.4GHz頻段上提供不同的數據速率(40kbit/s和250kbit/s)。ZigBee協議將在這兩種物理層上運行。為了讓ZigBee芯片做得很小、很便宜，廠商和用戶必將在兩種物理層中選擇一個。ZigBee的第三種物理層可能是UWB，但這是一個長遠目標，至今尚未標準化。UWB的主要優點是功耗比，802.15.4還低，允許器件不用電池。有人預測，UWB網狀網最終將由“智能塵粒”組成，這是一種精微無線電，它通過納米技術風車或光電池產生能量。UWB網狀網的應用潛力是很大的，美國軍方已經在測試UWB在遙測方面的應用，現在主要問題是成本，目前低速低功率的UWB芯片組價格至少為20美元。而ZigBee的價格目標僅幾美分。當然，目前還不能做到這一價位，所以ZigBee在短期內還不可能便宜到包含在可隨意處置的物體中。這就是為什么第一批遙控燈泡將是能量效率高的熒光燈泡，它比白熾燈泡的使用時間長大約10倍。ZigBee聯盟相信，ZigBee芯片將像微處理機一樣無所不在，其應用將遠不止遙測遙控。

　　圖1是WiFi、藍牙和ZigBee三種無線網的網絡結構示意圖。在WiFi網中，每一WiFi器件直接連接接入點，接入點再使用以太網通過有線接至企業網。在藍牙網中，藍牙器件都接至起中繼作用的另一無線器件(通常是一部手機，用作集線器)。在ZigBee網中，所有ZigBee器件都能轉發彼此的業務，完全旁路有線網絡。

圖1 WiFi、藍牙和ZigBee三種無線網的網絡結構

　　5、無源RFID

　　無源RFID是比ZigBee更小、更便宜的無線電技術，現在已經存在。由于它們自身不含電源或處理器，無源RFID標記不能啟動傳送或中繼彼此的業務。只有當它們進入RFID閱讀器的電磁場范圍內才被激活。

　　無源RFID本身并非新東西，成千上萬的建筑物使用RFID接入卡，數百萬輛汽車使用附著在擋風玻璃上的RFID標記來付過路費。但有兩件事情是新的，一是無源RFID的成本已經降到標記可以隨意貼的程度；二是新的標準已經推出。一個價值10美分的無源RFID標記使用電子產品碼(EPC)可以存儲對某一物體的完整描述。EPC是基于可擴展置標語言(xml)的一種用來描述物體的標準。

　　但是，現在很少有企業急于在每件東西上貼上無源RFID標記。這是因為雖然標記很便宜，但閱讀它們和處理信息所需的基礎設施并不便宜。無源RFID閱讀器的覆蓋距離與藍牙相同，故被跟蹤的物體必須在閱讀器附近。一種做法是把閱讀器放在建筑物的每一入口或出口，再用ZigBee把它們連接在一起。另一種做法是使用移動閱讀器，它通過WiFi轉發庫存數據或把數據存入存儲器。

　　目前對無源RFID的用途和潛力存在估計過高的現象。在美國使用無源RFID最多的是Wal-Mart，它要求其供貨商到2005年在所有進貨上貼上RFID標記。但這也就影響其100家最大的供貨商，只在紙板箱和貨柜上使用標記。在貨架上的每件產品在可預見的將來不會使用RFID標記。

　　表l是對上述四種無線技術的簡單比較。
表1　4種無線技術的簡要比較

無線技術	優點	缺點	節點成本
WiFi(802.11b、a和g)	使用現有網絡，高速率、前向后向兼容	高功耗、協議開銷大、需要接入點	約20美元
藍牙	目前用量很大、對語音最優	以移動電話為中心，每網最多8個節點	低于5美元
ZigBee (802.15.4)	低功耗、可選路的網狀網，無需接入點	目前還沒有產品，預計的成本和時間表可能不切實際	50美分（預計）
無源RFID標記	成本很低、無功耗	無處理能力，需要閱讀器和數據存儲器	5-50美分

　　6、802.15標準

　　短距離無線技術原本是為支持個人域網(PAN)而開發的，PAN由個人攜帶的電子小器具組成。但是IEEE和其它工業組織相信，它們的潛力遠遠不止于此。IEEE802.15工作組正在定義以下幾種不同的短距離技術，其中有的已經超出了個人范圍。

　　802.15.l本質上只是藍牙低層協議的一個正式標準化版本。大多數標準制定工作仍由藍牙特別興趣組(SIG)在做，其成果將由IEEE批準。原始的802.15.1標準基于藍牙1.1，在目前大多數藍牙器件中采用的都是這一版本。新的版本802.15.1a將應于藍牙1.2，它包括某些QoS增強功能，完全后向兼容。

　　802.15.2是對藍牙和802.15.1的一些改變，其目的是減輕與802.l1b和802.1lg網絡的干擾。這些網絡都使用2.4GHz頻段，故如果想同時使用藍牙和WiFi的話，就需要使用802.15.2或其它專有方案。

　　802.15.3也稱WiMedia，旨在高速率。最初它瞄準的是消費類器件，如電視機和數碼照相機等。其原始版本規定的速率高達55Mbit/s，使用基于802.11但不兼容的物理層。后來多數廠商傾向于802.15.3a，這是使用UWB的MBOA的物理層，速率高達480Mbit/s。打算生產802.15.3a產品的廠商成立了WiMedia聯盟，其任務是對設備進行測試和貼牌，以保證標準的一致性。

　　802.15.4如前所述旨在長電池壽命和低器件成本。速率可以低至9.6Mbit/s，不支持語音。ZigBee聯盟正在制定在802.15.4上運行的高層協議，允許網狀網的規模大小實際上可以不受限制。

　　802.15.5還在制定之中。其最終目的是使網狀網能夠在MAC層形成，不再需要ZigBee或IP選路。

　　第6種現在尚未正式列入802.15標準，它將包括基于太赫茲輻射(即T射線)的無線網。T射線結合光和無線電的特性，理論上可達到幾千兆比特的速率。

　　7、結束語

　　上面介紹了將來可用于機對機應用的各種無線網。在這些無線網技術中，大多數設備至今還是太大、太貴，難以嵌入在每件東西中。但是人們正在努力把它們做得更小、更便宜。確實有可能做出可裝在手表內部的50美分的無線電路由器。現在還不清楚的問題是，怎樣以及是否要把這些新的聯網器件與現有的企業網相連。

　　做一個能聯網的器件是比較容易的，但要構筑一個可靠的網絡就難得多。由移動節點組成的網狀網需要多條冗余路由，故在構成移動節點的大量器件中必須含有網狀網技術。在技術上這肯定是能夠做到的，但是否切合實際，是否符合人們需要現在還難說。

　　無源RFID標記和傳感器在某些行業中已經產生很大影響，能使供應鏈更加流暢、資產管理更加精細。自身帶有存儲器和處理能力的有源RFID可做的事情就更多。應該說，與潛在的好處及節省的成本相比，RFID的風險是很小的。但是，它們的市場前景現在還不很明朗，市場究竟是走向無源RFID、有源網狀網，還是兩者兼有之，還需要進一步觀察。迄今還有許多無線標準在制定之中，其中有些可能以失敗告終。對這一點，我們必須要有充分的認識。

　　
摘自　泰爾網

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