支持M2M应用的无线网络技术及发展--华夏物联网

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支持M2M應用的無線網絡技術及發展

業界動態
國脈物聯網
2010-06-24
[ 導讀 ] 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

  [FS:PAGE]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。

  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。

  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。

  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。

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