簡(jiǎn)介

工業(yè)聯(lián)網(wǎng)機(jī)器可以感知眾多信息，以用于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng) (IIoT) 中的關(guān)鍵決策。邊緣節(jié)點(diǎn)中的傳感器可以在空間上遠(yuǎn)離任何數(shù)據(jù)聚合點(diǎn)。它必須通過(guò)將邊緣數(shù)據(jù)連接到網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)進(jìn)行連接。傳感器構(gòu)成工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng)的前端邊緣。測(cè)量階段將檢測(cè)到的信息轉(zhuǎn)換為壓力、位移、旋轉(zhuǎn)等可量化數(shù)據(jù)?？梢詫?duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行過(guò)濾，只連接節(jié)點(diǎn)以外最有價(jià)值的信息，以便進(jìn)行處理。在低延遲連接條件下，只要關(guān)鍵數(shù)據(jù)可用即可作出關(guān)鍵決策。

檢測(cè)、測(cè)量、解讀、連接

邊緣節(jié)點(diǎn)一般必須通過(guò)有線或無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn) (WSN) 連接到網(wǎng)絡(luò)。在信號(hào)鏈的這一部分中，數(shù)據(jù)完整性仍然十分關(guān)鍵。如果通信不一致、丟失或損壞，則優(yōu)化檢測(cè)和測(cè)量數(shù)據(jù)幾乎沒(méi)有價(jià)值。理想情況下，要在系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)期間預(yù)先設(shè)計(jì)魯棒的通信協(xié)議。最佳選擇取決于連接要求：范圍、帶寬、功率、互操作性、安全性和可靠性。

有線設(shè)備

在連接的魯棒性至關(guān)重要的情況下(如 EtherNet/IP、KNX、DALI、PROFINET 和 ModbusTCP)，工業(yè)有線通信發(fā)揮著關(guān)鍵作用。遠(yuǎn)距離傳感器節(jié)點(diǎn)可以用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)向網(wǎng)關(guān)回傳信息，網(wǎng)關(guān)則依賴有線基礎(chǔ)設(shè)施。數(shù)量較少的連網(wǎng)物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)會(huì)一律使用有線通信，因?yàn)槎鄶?shù)這些設(shè)備會(huì)采用無(wú)線連接。借助有效的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)連接策略，可以將傳感器安裝在可以檢測(cè)到有價(jià)值信息的任何地方，不僅是現(xiàn)有的通信設(shè)施和電源基礎(chǔ)設(shè)施所在之處。

傳感器節(jié)點(diǎn)必須有與網(wǎng)絡(luò)通信的方法。以太網(wǎng)在有線領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)，因?yàn)楣I(yè)物聯(lián)網(wǎng)框架把更高層的協(xié)議映射于這類連接上。具體的以太網(wǎng)實(shí)施方案的速率范圍為 10 Mbps 至 100 Gbps 及以上。高速率通常面向互聯(lián)網(wǎng)主干網(wǎng)，用于連接云中的服務(wù)器群。1

KNX一類的低速工業(yè)網(wǎng)絡(luò)是基于雙絞線，采用差分信令模式傳輸數(shù)據(jù)，電源電壓為 30 V，總帶寬為 9600 bps。雖然每段只能支持?jǐn)?shù)量有限的地址 (256)，但尋址最高可支持 65,536 臺(tái)設(shè)備。最大分段長(zhǎng)度為 1000 米，可選線路中繼器，最多支持 4 段。

工業(yè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)面臨的挑戰(zhàn)

在考慮采用哪種通信和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)時(shí)，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線系統(tǒng)設(shè)計(jì)師面臨諸多挑戰(zhàn)。為此，需要高度重視以下制約條件：

?范圍

?間歇性連接與連續(xù)性連接

?帶寬

?功率

?協(xié)同能力

?安全性

?可靠性

范圍

范圍指接入網(wǎng)絡(luò)的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備傳輸數(shù)據(jù)的距離。以米為單位的短程個(gè)人局域網(wǎng) (PAN) 可以用于通過(guò) BLE 進(jìn)行設(shè)備調(diào)試的情況。長(zhǎng)達(dá)數(shù)百米的局域網(wǎng) (LAN) 則可用于安裝在同一棟建筑中的自動(dòng)化傳感器。廣域網(wǎng) (WAN) 以千米為單位，其應(yīng)用包括安裝在大型農(nóng)場(chǎng)里的農(nóng)用傳感器。

圖 1.短程無(wú)線連接。

選擇的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議應(yīng)與工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的具體應(yīng)用案例要求的范圍相匹配。例如，對(duì)于工作距離為數(shù)十米的室內(nèi)局域網(wǎng)應(yīng)用，4G 蜂窩網(wǎng)絡(luò)在復(fù)雜程度和功率方面就不合適。在要求范圍內(nèi)傳輸數(shù)據(jù)有困難時(shí)，邊緣計(jì)算不失為一種替代方案。在邊緣節(jié)點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，而不是把數(shù)據(jù)傳輸?shù)狡渌攸c(diǎn)進(jìn)行處理。

發(fā)射的無(wú)線電波在功率密度方面遵循平方反比定律。信號(hào)功率密度與無(wú)線電波傳輸距離的平方反比成比例。傳輸距離增加一倍，無(wú)線電波只能維持最初功率的四分之一。發(fā)射輸出功率每增加 6 dBm，可能傳輸范圍就會(huì)增加一倍。

在理想的自由空間里，平方反比定律是影響傳輸范圍的唯一因素。然而，墻、柵欄、植物等障礙物會(huì)減小現(xiàn)實(shí)范圍?？諝鉂穸瓤赡軙?huì)吸收射頻能量。金屬物可能會(huì)反射無(wú)線電波，導(dǎo)致次要信號(hào)在不同時(shí)間到達(dá)接收器端，形成具有破壞性的干擾，進(jìn)一步導(dǎo)致功率下降。

無(wú)線電接收器的靈敏度決定了可以實(shí)現(xiàn)的最大信號(hào)路徑損耗。例如，在 2.4 GHz 工業(yè)、科研和醫(yī)療 (ISM) 頻段中，接收器的最低靈敏度為–85 dBm。射頻輻射器的能量全向均勻傳播，形成一個(gè)球體 (A = 4πR2)，其中，R 為從發(fā)射器到接收器的距離，單位為米。自由空間功率損失 (FSPL) 與發(fā)射器與接收器之間的距離的平方以及基于 Friis 傳輸方程集的射頻信號(hào)頻率的平方成比例。2

其中，Pt = 發(fā)射功率，單位為瓦特，S = 距離 R 時(shí)的功率

其中，Pr = 接收功率，單位為瓦特

λ (發(fā)射波長(zhǎng)，單位為米)= c(光速)/f (Hz) = 3 × 108 (m/s2)/f(Hz)或300/f (MHz)

其中，f = 發(fā)射頻率

給定已知發(fā)射頻率和要求的距離，則可以計(jì)算目標(biāo)發(fā)射和接收對(duì)的 FPSL。鏈路預(yù)算的形式如方程 1 所示：

帶寬和連接能力

帶寬是在特定時(shí)間內(nèi)可以傳輸?shù)臄?shù)據(jù)速率。它限制了可以從工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)傳感器節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)的最大速率以及向下游傳輸數(shù)據(jù)的最大速率?？紤]這些因素：

?每臺(tái)設(shè)備隨時(shí)間推移產(chǎn)生的數(shù)據(jù)總量

?網(wǎng)關(guān)中部署和聚合的節(jié)點(diǎn)數(shù)

?以恒定數(shù)據(jù)流或間歇性突發(fā)方式存在的突發(fā)數(shù)據(jù)高峰期需要的可用帶寬

網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的包大小最好與傳輸?shù)臄?shù)據(jù)大小相匹配。發(fā)送含有空數(shù)據(jù)的包會(huì)造成效率下降。然而，把大數(shù)據(jù)塊分割成過(guò)多小包也會(huì)開銷一定的資源。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備并非始終連著網(wǎng)絡(luò)。為了節(jié)省電量或帶寬，它們可以周期性地連網(wǎng)。

功耗與協(xié)同能力

如果工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備必須用電池供電，為了省電，可以在其空閑時(shí)使其進(jìn)入睡眠模式。可以在不同的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載條件下模擬設(shè)備的功耗。這樣可以確保設(shè)備的電源和電池容量與傳輸必要數(shù)據(jù)需要的功耗相匹配。3

網(wǎng)絡(luò)中不同可能節(jié)點(diǎn)之間的協(xié)調(diào)配合可能是個(gè)挑戰(zhàn)。為了維持互聯(lián)網(wǎng)的協(xié)調(diào)能力，傳統(tǒng)方法是采用標(biāo)準(zhǔn)有線和無(wú)線協(xié)議。為了跟上新技術(shù)的快速發(fā)展步伐，很難實(shí)現(xiàn)新的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)流程的標(biāo)準(zhǔn)化。以工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng)為例，看看符合現(xiàn)有解決方案需要的最佳技術(shù)。如果技術(shù)被廣泛運(yùn)用，則實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期協(xié)調(diào)配合的概率會(huì)更高。

安全性

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)安全性在系統(tǒng)中起著三個(gè)重要的作用：機(jī)密性、完整性和真實(shí)性。機(jī)密性要求網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)只停留在已知框架中，不允許數(shù)據(jù)被外部設(shè)備破壞或截獲。數(shù)據(jù)完整性要求消息內(nèi)容與發(fā)射數(shù)據(jù)完全相同，不改變、減少或增加信息。4, 5 真實(shí)性要求從符合預(yù)期的獨(dú)家來(lái)源接收數(shù)據(jù)。以虛假身份進(jìn)行錯(cuò)誤通信是虛假身份驗(yàn)證的一個(gè)例子。

連接不安全網(wǎng)關(guān)的安全無(wú)線節(jié)點(diǎn)會(huì)造成安全漏洞，有可能遭到破壞。數(shù)據(jù)時(shí)間戳有助于發(fā)現(xiàn)是否有任何信號(hào)被跳過(guò)并被通過(guò)旁道傳輸。時(shí)間戳也可以用于正確重整來(lái)自多個(gè)未同步傳感器的凌亂的關(guān)鍵時(shí)間數(shù)據(jù)。

可在 IEEE802.15.4 框架下實(shí)現(xiàn) AES-128 加密，在 IEEE 802.11 框架下實(shí)現(xiàn) AES-128/256 加密。密鑰管理、加密級(jí)隨機(jī)數(shù)生成 (RNG) 和網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)控制清單 (ACL) 都有助于清除通信網(wǎng)絡(luò)的安全障礙。

頻段

物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線傳感器可以在蜂窩基礎(chǔ)設(shè)施中使用特許執(zhí)照頻段，但這些設(shè)備可能非常耗電。在車載遠(yuǎn)程信息處理這個(gè)應(yīng)用示例中，需要采集移動(dòng)信息，所以，短程無(wú)線通信并不可行。然而，許多其他低功耗工業(yè)應(yīng)用會(huì)占用 ISM 頻段中免執(zhí)照頻譜。

IEEE 802.15.4 低功耗無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)可能是諸多工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的理想選擇。該標(biāo)準(zhǔn)的工作頻段為 2.4 GHz、915 MHz 和 868 MHz ISM，總共有 27 個(gè)通道可以用于射頻通道多次跳躍。物理層支持免執(zhí)照頻段，具體取決于在全球所處位置。歐洲提供的是處于 868 MHz 的 600 kHz 通道 0，北美則提供了以 915 MHz 為中心的 10 個(gè) 2 MHz 頻段。全球通用通道是 2.4 GHz 頻段內(nèi)的 5 MHz 通道 11 至通道 26。

藍(lán)牙?低能耗 (BLE) 是一種功耗大幅減小的解決方案。BLE 不是文件傳輸?shù)睦硐脒x擇，更適合小塊數(shù)據(jù)。一個(gè)主要優(yōu)勢(shì)是與競(jìng)爭(zhēng)技術(shù)相比，因其已與移動(dòng)設(shè)備廣泛集成，所以更具普遍性。藍(lán)牙 4.2 核心規(guī)范采用高斯頻移調(diào)制，工作頻段為 2.4 GHz ISM，范圍為 50 米至 150 米，數(shù)據(jù)速率為 1 Mbps。

表 1.IEEE 802.15.4 頻段與通道分配

在確定用于工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)解決方案的最佳頻段時(shí)，要考慮 2.4 GHz ISM 解決方案的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)：

優(yōu)點(diǎn)

?多數(shù)國(guó)家或地區(qū)均免執(zhí)照

?所有地區(qū)市場(chǎng)采用相同的解決方案

?83.5 MHz 的帶寬允許在不同通道上實(shí)現(xiàn)高數(shù)據(jù)速率

?可實(shí)現(xiàn) 100% 占空比

?與 1 GHz 以下頻段相比天線較緊湊

缺點(diǎn)

?在相同輸出功率下，距離比 1 GHz 以下頻段短

?無(wú)處不在，數(shù)量眾多，因而會(huì)形成許多干擾源信號(hào)

通信協(xié)議

通信系統(tǒng)中用來(lái)格式化數(shù)據(jù)和控制數(shù)據(jù)交換的一組規(guī)則和標(biāo)準(zhǔn)。開放系統(tǒng)互連 (OSI) 模型將通信分解成不同的功能層，以便更容易地實(shí)現(xiàn)可擴(kuò)展的互操作型網(wǎng)絡(luò)。OSI 模型有七個(gè)層次：物理 (PHY) 層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層、會(huì)話層、表示層和應(yīng)用層。

圖 2.OSI 與 TCP/IP 模型。

IEEE 802.15.4 和 802.11 (Wi-Fi) 標(biāo)準(zhǔn)停留在媒介訪問(wèn)控制 (MAC) 數(shù)據(jù)鏈路次層和?PHY 層。附近的 802.11 接入點(diǎn)應(yīng)各用一個(gè)非重疊通道以減小干擾效應(yīng)(圖 3)。802.11G 使用的調(diào)制方案是正交頻分多路復(fù)用 (OFDM) 方案，該方案比后文介紹的 IEEE 802.15.4 方案復(fù)雜。

鏈路層用于把無(wú)線電信號(hào)波轉(zhuǎn)換成比特，并把比特轉(zhuǎn)換成無(wú)線電信號(hào)波。這一層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)成幀以實(shí)現(xiàn)可靠通信，同時(shí)管理對(duì)目標(biāo)無(wú)線電通道的訪問(wèn)操作。

網(wǎng)絡(luò)層在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中路由數(shù)據(jù)并對(duì)數(shù)據(jù)尋址?；ヂ?lián)網(wǎng)協(xié)議 (IP) 正是在這一層中提供 IP 地址，并將IP包從一個(gè)節(jié)點(diǎn)帶到另一個(gè)節(jié)點(diǎn)。

在運(yùn)行于網(wǎng)絡(luò)兩端的應(yīng)用會(huì)話之間，傳輸層會(huì)生成通信會(huì)話。這樣一樣，多個(gè)應(yīng)用就可以在一臺(tái)設(shè)備上運(yùn)行，每個(gè)應(yīng)用均使用自己的通信通道。互聯(lián)網(wǎng)上的連網(wǎng)設(shè)備主要采用傳輸控制協(xié)議 (TCP)，并將其作為首選傳輸協(xié)議。

應(yīng)用層對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行格式和管理，以針對(duì)節(jié)點(diǎn)傳感器的具體應(yīng)用優(yōu)化數(shù)據(jù)流。TCP/IP 堆棧中一個(gè)常見的應(yīng)用層協(xié)議是用于通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)的超文本傳輸協(xié)議 (HTTP)。

FCC Part 15 規(guī)則將ISM頻段中發(fā)射器的有效功率限制為 36 dBm。2.4 GHz 頻段中的固定點(diǎn)對(duì)點(diǎn)鏈路是個(gè)例外，其天線增益為 24 dBi，發(fā)射功率為 24 dBm，總 EIRP 為 48 dBm。發(fā)射功率應(yīng)至少達(dá)到 1 mW。如果包差錯(cuò)率小于 1%，則要求接收器靈敏度在 2.4 GHz 頻段內(nèi)支持–85 dBm，在 868 MHz 和 915 MHz 頻段內(nèi)支持 –92 dBm。

圖 3.全球 IEEE 802.15.4 PHY 通道 11 至通道 26 與 IEEE 802.11g 通道 1 至通道 14。

原地安裝與全新安裝

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)意味著連接范圍廣，要用多個(gè)有線和無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)來(lái)實(shí)現(xiàn)。然而，若要安裝到現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，選擇可能并不多。可能需要對(duì)新的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)解決方案進(jìn)行改造，以適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)需求。

全新安裝是指在全新的環(huán)境中從零開始安裝。不存在傳統(tǒng)設(shè)備的限制。例如，在建設(shè)新廠房或倉(cāng)庫(kù)時(shí)，可以在框架規(guī)劃中考慮工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)解決方案，以達(dá)到最優(yōu)性能。

原地部署是指在原有基礎(chǔ)設(shè)施中安裝的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)。挑戰(zhàn)尤其明顯。傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)可能并不理想，但新的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)必須與會(huì)產(chǎn)生干擾源射頻信號(hào)的任何現(xiàn)有系統(tǒng)共存。開發(fā)人員在受限的環(huán)境下，繼承硬件、嵌入式軟件和以前的設(shè)計(jì)決策。因此，開發(fā)過(guò)程變得非常艱難，需要進(jìn)行認(rèn)真嚴(yán)謹(jǐn)?shù)胤治?、設(shè)計(jì)和測(cè)試。6

網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

IEEE 802.15.4 協(xié)議規(guī)定了兩個(gè)設(shè)備類別。全功能設(shè)備 (FFD) 可以用在任何拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中，作為 PAN 協(xié)調(diào)器與任何其他設(shè)備通信。精簡(jiǎn)功能設(shè)備 (RFD) 僅限于星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，因?yàn)樗荒艹蔀榫W(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。它只能在簡(jiǎn)單的 IEEE 802.15.4 實(shí)施方案中與網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器通信。根據(jù)具體應(yīng)用，有多種網(wǎng)絡(luò)模型：點(diǎn)對(duì)點(diǎn)模型、星模型、網(wǎng)模型和多跳模型。

圖 4.網(wǎng)絡(luò)模型：點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、星形、網(wǎng)狀和多跳拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)可以輕松把兩個(gè)節(jié)點(diǎn)連起來(lái)，但無(wú)法利用智能擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)的范圍。這種結(jié)構(gòu)支持快速安裝，但缺乏冗余性，如果一個(gè)節(jié)點(diǎn)不能運(yùn)行，則整個(gè)網(wǎng)絡(luò)失效。

星形模型將總輻射范圍擴(kuò)展至兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的傳輸距離，因?yàn)樵撃Ｐ陀靡粋€(gè) FFD 作為主控節(jié)點(diǎn)，與多個(gè)RFD通信。然而，每個(gè) RFD 仍然只能與路由器通信。只要 FFD 不出故障，就可以容忍一個(gè)點(diǎn)發(fā)生故障。

Mesh (網(wǎng)狀)網(wǎng)絡(luò)允許任何節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信或跳過(guò)任何其他節(jié)點(diǎn)。這就提供了冗余的通信路徑，可增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的強(qiáng)度。智能型 Mesh 網(wǎng)絡(luò)可以通過(guò)最少的跳躍路由通信，以降低功耗和延遲。自組拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可以自行適應(yīng)環(huán)境的變化，允許節(jié)點(diǎn)抵達(dá)或離開網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。

可靠性

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)客戶在做出訂購(gòu)決策時(shí)，最看重的是可靠性和安全性。企業(yè)一般用復(fù)雜的大型集群進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，其中可能存在大量的瓶頸問(wèn)題，包括數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)索引和數(shù)據(jù)抽取，以及轉(zhuǎn)換和加載流程等。每個(gè)邊緣節(jié)點(diǎn)的高效通信對(duì)防止下游集群中出現(xiàn)瓶頸問(wèn)題至關(guān)重要。5

工業(yè)環(huán)境通常非常惡劣，不利于射頻波的有效傳播。形狀不規(guī)則的大型高密度金屬工廠設(shè)備、混凝土、隔斷和金屬支架都可能形成多路徑波傳播。射頻波從各個(gè)方向離開發(fā)射天線，“多路徑”指射頻波在到達(dá)接收器之前會(huì)受到環(huán)境傳播的影響。接收器端的入射波分為三類——反射波、衍射波和散射波。多路徑波的幅度和相位會(huì)發(fā)生變化，形成復(fù)合波，結(jié)果會(huì)在目標(biāo)接收器端產(chǎn)生破壞性的干擾。

CSMA-CA 通道訪問(wèn)

載波偵聽多路訪問(wèn)/沖突避免 (CSMA/CA) 是一種數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議，在該協(xié)議下，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)采用載波偵聽。節(jié)點(diǎn)只在偵聽到通道空閑時(shí)才發(fā)射整包數(shù)據(jù)，從而避免沖突。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的隱藏節(jié)點(diǎn)不在其他節(jié)點(diǎn)的范圍之內(nèi)。在圖 5 所示例子中，范圍內(nèi)遠(yuǎn)端邊緣的節(jié)點(diǎn)可以看到接入點(diǎn)“Y”，但看不到范圍內(nèi)另一端的節(jié)點(diǎn)X或Z。7

圖 5.隱藏節(jié)點(diǎn) X 和 Z 無(wú)法直接通信。

基于 RTS/CTS 的握手方案通過(guò)面向WLAN的簡(jiǎn)短“請(qǐng)求發(fā)送”和“允許發(fā)送”消息，實(shí)施虛擬載波偵聽技術(shù)。802.11 主要依賴物理載波偵聽技術(shù)，IEEE 802.15.4 則采用 CSMA/CA。為了克服隱藏節(jié)點(diǎn)問(wèn)題，與 CSMA/CA 結(jié)合實(shí)施RTS/CTS握手。在允許的條件下，提高隱藏節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率可以延長(zhǎng)其觀察距離。

協(xié)議

為了提高帶寬，用高級(jí)調(diào)制方案調(diào)制相位、幅度或頻率。正交相移鍵控 (QPSK) 是一種調(diào)制方案，對(duì)每個(gè)符號(hào)均用四個(gè)相位來(lái)編碼兩個(gè)比特。正交調(diào)制采用一種混合式架構(gòu)，通過(guò)相移來(lái)降低信號(hào)帶寬要求。二進(jìn)制數(shù)據(jù)被細(xì)分成兩個(gè)連續(xù)的比特，并在 ωc 載波、sinωct 和 cosωct 正交相位上進(jìn)行調(diào)制。

圖 6.偏移型 QPSK 調(diào)制器架構(gòu)。

IEEE 802.15.4 收發(fā)器運(yùn)行于 2.4 GHz ISM 頻段，采用 QPSK 的一種物理層變體，稱為偏移型 QPSK( 即 O-QPSK) 或交錯(cuò)型 QPSK。一個(gè)數(shù)據(jù)位 (Tbit) 偏移時(shí)間常量被引入比特流中。這樣，數(shù)據(jù)在時(shí)間上偏移符號(hào)周期的一半，結(jié)果可以避免節(jié)點(diǎn) X 和 Y 的波形同時(shí)躍遷。連續(xù)相位步進(jìn)不得超過(guò) ±90°。一個(gè)不足之處是 O-QPSK 不支持差分編碼。但它的確可以排除相干檢測(cè)這項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的技術(shù)任務(wù)。

IEEE 802.15.4 中采用的調(diào)制方案通過(guò)降低符號(hào)速率來(lái)發(fā)射和接收數(shù)據(jù)。O-QPSK 要求通過(guò)同時(shí)發(fā)射兩個(gè)編碼位，使符號(hào)速率與比特率之比達(dá)到 ?。這樣就能以 62.5 k symbols/sec 的符號(hào)速率，實(shí)現(xiàn) 250 kbps 的數(shù)據(jù)速率。

可擴(kuò)展性

并非所有物聯(lián)網(wǎng)都要求采用外部IP地址。對(duì)于專用通信，傳感器節(jié)點(diǎn)應(yīng)能支持唯 一IP 地址。雖然 IPv4 支持 32 位尋址，但在幾十年前人們就清楚地認(rèn)識(shí)到，僅 43 億個(gè)地址無(wú)法支持互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展需要。IPv6 將地址長(zhǎng)度提高到 128 位，能支持 240*10^36 臺(tái)全球唯一地址 (GUA )設(shè)備。

在兩個(gè)不同的 IPv6 域和 IEEE802.15.4 網(wǎng)絡(luò)中映射數(shù)據(jù)和管理地址對(duì)設(shè)計(jì)提出了較大的挑戰(zhàn)。6LoWPAN 定義了封裝和報(bào)頭壓縮機(jī)制，支持通過(guò)基于 IEEE 802.15.4 的網(wǎng)絡(luò)發(fā)送和接收 IPv6 包。舉例來(lái)說(shuō)，Thread 是一種運(yùn)行于 6LoWPAN 之上，基于封閉式文檔、免版稅協(xié)議的自動(dòng)化標(biāo)準(zhǔn)。

ADI 公司為 ADuCx 系列微控制器和 Blackfin? 系列 DSP 提供全面的無(wú)線收發(fā)器和有線協(xié)議。低功耗 ADRF7242 支持 IEEE 802.15.4、可編程數(shù)據(jù)速率和調(diào)制方案，采用全球 ISM 頻段，速率范圍為 50 kbps 至 2000 kbps。符合 FCC 和 ETSI 標(biāo)準(zhǔn)的要求。ADRF7023 的工作頻段為全球免執(zhí)照 ISM 頻段，工作頻率為 433 MHz、868 MHz 和 915 MHz，速率范圍為 1 kbps 至 300 kbps。ADI 公司提供完整的 WSN 開發(fā)平臺(tái)，助力定制解決方案的設(shè)計(jì)。RapID? 平臺(tái)是一個(gè)用于嵌入工業(yè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的模塊和開發(fā)套件系列。SmartMesh? 無(wú)線傳感器是芯片和預(yù)認(rèn)證 PCB 模塊，帶網(wǎng)狀組網(wǎng)軟件，使傳感器可以在惡劣的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中進(jìn)行通信。

圖7.相變 ±90°(左)及 I/Q O-QPSK 選項(xiàng)(右)。