支持M2M应用的无线网络技术及发展

2019-11-03 09:24:57

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供稿：网友

雷震洲

　　摘要　将来当计算机和通信设备遍布所有地方时，通信不仅是人—人和人—机之间，而且还包括机—机(M2M)之间的通信。在未来某一天，由机器产生的流量将大大超过人—机应用和人—人应用产生的流量。大量M2M应用需要用各种无线网络来支撑。本文旨在介绍迄今可用于机对机应用的各种无线网的特点和优劣，包括WiFi、蓝牙、ZigBee、无源RFID和802.15标准。

　　关键词　无线　网络　机对机　应用

　　1、引言

　　将来，更为重大的发展也许不再是现今互联网上的PC和移动网上的手机，而是具有通信性能的其他设备。能够上网的设备或器具将比现在广泛得多，包括从电视机到MP3播放机，再到电子报刊、智能大楼，甚至于电冰箱等家电，它们如同互联网上的计算机一样工作，形成机对机(M2M)的通信方式。随着射频标识(RFID)和传感器的大量使用以及网格计算的应用，目前尚处于早期阶段的机对机应用将逐渐趋于成熟。在未来某一天，由机器产生的流量将超过人—机应用和人—人应用产生的流量，甚至可能占据全部流量的绝大部分(目前所占百分比很小)。

　　机对机应用意味着在传统上不联网的设备或器具(例如空调机、安全系统和电梯等)之间传送遥测、遥控信号。M2M不仅仅是并行处理，而是分布式计算的使能器。它能使一个家庭变成一台超级计算机，在所有的家庭用具内都装有嵌入式的处理器。

　　在企业中M2M有两种初期应用：监视和控制。监视应用包括资产跟踪、库存管理和供应链自动化。一家制造商可以使用RFID标记来跟踪产品部件在厂内的流动情况，或者对仓库内箱子进行定位。在这种应用中的数据传送是严格单向的，不需要传送任何响应信号。控制应用比较复杂，需要基于多个来源的输入做出决定，再把决定回送出去。例如，一个分布式温度传感器网络可以控制一个取暖系统，节省开支。运动传感器可以检测到有人走向电梯，然后为此人调用电梯，可以节省时间。这种利用无线的大楼自动化将变得更加成本有效。

　　为了促进机对机应用的发展，需要给所有移动物体赋予无线通信功能，给所有难以安装固定线路的地方赋予无线通信功能，给所有执行命令、验证和控制功能的器具(包括用户随身配件)赋予无线通信功能。显然，当单芯片无线电便宜得足以附着于几乎所有东西时，我们就需要考虑用相应的无线技术来形成新的网络，这些网络把人完全排斥在外，而把各种电气用具，甚至把类似杂志这样的惰性物体连接在一起。只要在无线覆盖范围内，就可以形成M2M的连接。但是用什么无线网来实现M2M连接是一个困难的技术选择问题。本文主要介绍在企业中实现M2M连接时可以选用的几种无线技术。

　　2、WiFi

　　WiFi现在是一种用得较多的无线技术。除了在笔记本电脑中，目前在许多网络设备(Cisco的所有路由器和交换机)中也增加了处理802.11协议的能力，就像处理以太网和ip一样方便。

　　由于WiFi在企业中已经非常普遍，故自然会考虑选用它来提供M2M连接。目前，诸如Airespace、Trapeze Networks等无线交换机厂商，已经推出能够实时跟踪器具的软件。Intel出资的新兴公司Bluesoft甚至已经在销售基于802.11b的RFID标记，一片小小的用电池供电的网络接口卡。

　　把WiFi用于M2M连接的主要优点是使用现有网络、速率高(WiFi的速率大大超过处理遥测所需的数据量)、前后兼容性好。还有一个好处是可以把语音、遥测和RFID融合在一起，一网多用可以简化管理、降低成本、减少干扰。

　　使用WiFi的缺点包括功耗大、成本高、协议开销大、需要接入点。目前在一个器具上增加WiFi至少需要15美元。Bluesoft标记的价格是65美元。虽然成本还会下降，但近期仍只能用于跟踪价值较高的资产。一个仓库可能只会把Bluesoft标记用于它的铲车，而不会用于铲车搬动的箱子。WiFi是一个无中继转发能力的单跳网，器具只能连接到接入点(AP)。AP之间的连接、AP与其它网络的连接往往通过常规的有线以太网。如果已经用于其它以太网业务的同一布线再用作WiFi回传，就需要进行认证或把WiFi无线数据包隔离开。要不，你就不得不安装新的缆线和交换机。

　　现在，许多新兴公司正在推进WiFi网状网，其内AP被用作路由器，彼此自动发现，可经过几跳转发业务。但网状网结构主要设计用于室外，在AP之间要求视距，使它们更适用于服务提供商，而不是企业。目前也有两家公司生产楼内使用的网状网系统。这两家公司是Strix Systems和Firetide，它们使用自己专有的AP连接协议，但方法有所不同。Strix的AP包括分开的用于网状网协议和用于802.11的无线电设备，而Firetide的专门设备只支持它自己的协议。所以，Strix方案更适用于新的网络，Firetide的方案比较适用于已经有标准化AP的企业。还有一些其它厂商也打算提供WiFi网状网系统，但短期内它们的系统不可能实现互操作，因为至今连互操作标准的建议草案都没有，预计在2007年之前不可能推出互操作标准。

　　3、蓝牙

　　蓝牙技术在成本和耗电上胜过WiFi，从表面看它似乎没取得太多成功，但实际上内装蓝牙的器件几乎已是WiFi的两倍之多。目前，它们大多数用在移动电话和消费类电器上。但同时含有WiFi和蓝牙的笔记本电脑和PDA正在为新的企业应用打开方便之门。蓝牙最初是瞄准语音的，但由于它功耗低以及比较安全，所以用于遥测也应该是比较理想的，蓝牙传感器的市场预期会很大。

　　然而，蓝牙不是一种组网技术，它只能连接8个器件，通信距离也短。这些限制意味着只有当与其它无线技术配合使用时，蓝牙才更加有用。在移动网中，蓝牙可以转发来自头戴耳机的语音、来自笔记本电脑VPN业务、来自汽车的导航数据。在局域网中，则可通过WiFi来转发遥测信号。

　　举一个例子，Cisco虽然自己不生产蓝牙设备，但它正在推进这种系统在医院的应用。病人戴着装有蓝牙的小设备，它能够监测脉搏、血压和其它重要数据，护士则带着装有WiFi和蓝牙的PDA。无论何时，当护士检查某病人时，PDA就自动下载来自监测设备的数据，并把数据送到医院的WiFi网。病人用的小设备不能直接把数据送到WiFi网，因为WiFi需要太多的电池功率，而且与敏感的医疗设备容易产生干扰。

　　从长远看，蓝牙可能被超宽带(UWB)技术取代。UWB是一种能够提供高速率低功耗的无线电新技术。但在短期内，UWB面临许多技术问题和政策问题。2004年2月，802.15工作组的UWB标准化工作陷入了僵局，对来自Intel和Motorola的不同建议难以做出决定。而Intel采取了分道扬镳的做法，另立门户成立了多频段OFDM联盟(MBOA)，继续制定它自己的规范，然后再提交给IEEE批准。估计到2004年末将形成事实上标准，2005年中期推出首批产品。

　　但即便UWB面世，它也不可能马上取代蓝牙，因为蓝牙已经存在多年，在成本上UWB无法与它竞争。故UWB早期的主要应用估计只是作为一个480Mbit/s无线USB端口，用来连接PC与外围设备(如打印机或显示器等)，要取代蓝牙大约还要等5到10年。鉴于此，Intel在成立MBOA的同一天收购了蓝牙芯片公司Mobilian。Intel声称，它今后要推出的Centrino2平台将包括蓝牙和三种类型的WiFi。

　　4、ZigBee

　　虽然蓝牙和WiFi都可以用于监视和控制，但它们原本都是为其它应用设计的。以往802标准的技术中没有一个是为遥测而设计的，研究重点始终放在提高速度上，高了还要高。为此，802.15工作组为遥测专门设计了一种无线电技术，编号为802.15.4。它不提供WiFi那样的高速率，也不提供蓝牙那样的QoS。它的目标是芯片功耗低、成本低(仅几美元一个)。像蓝牙一样，802.15.4也采用抗干扰性好的跳频技术。与蓝牙不同的是，由于采用了ZigBee轻量选路协议，它还能够形成全网状网，不需要接入点。开发802.15.4产品的厂商还成立了ZigBee联盟，它的作用与WiFi一样，所以现在知道ZigBee的人比知道802.15.4的人还多。

　　802.11是面向基础设施的，蓝牙是面向移动电话的，而ZigBee是面向网络的。ZigBee可能会成为802.15技术中最重要的一个，但它所形成的网状网如何适配于现有网络目前还是问题。预计包含ZigBee的第一批器件将是可以遥控的荧光灯泡，2004年底可以提供。灯开关是可移动的，人在暗处的任何地方都可把灯打开。这种应用可能很受消费者欢迎，但企业感兴趣的将是传感器。企业应用需要很好的安全性。ZigBee现在还没有完整的规范，估计规范中将包括针对不同应用的不同级别的安全性。

　　除了安全性以外，ZigBee还存在一些其它问题。其中之一是物理层不统一，IEEE定义了两种类型的802.15.4，分别在900MHz和2.4GHz频段上提供不同的数据速率(40kbit/s和250kbit/s)。ZigBee协议将在这两种物理层上运行。为了让ZigBee芯片做得很小、很便宜，厂商和用户必将在两种物理层中选择一个。ZigBee的第三种物理层可能是UWB，但这是一个长远目标，至今尚未标准化。UWB的主要优点是功耗比，802.15.4还低，允许器件不用电池。有人预测，UWB网状网最终将由“智能尘粒”组成，这是一种精微无线电，它通过纳米技术风车或光电池产生能量。UWB网状网的应用潜力是很大的，美国军方已经在测试UWB在遥测方面的应用，现在主要问题是成本，目前低速低功率的UWB芯片组价格至少为20美元。而ZigBee的价格目标仅几美分。当然，目前还不能做到这一价位，所以ZigBee在短期内还不可能便宜到包含在可随意处置的物体中。这就是为什么第一批遥控灯泡将是能量效率高的荧光灯泡，它比白炽灯泡的使用时间长大约10倍。ZigBee联盟相信，ZigBee芯片将像微处理机一样无所不在，其应用将远不止遥测遥控。

　　图1是WiFi、蓝牙和ZigBee三种无线网的网络结构示意图。在WiFi网中，每一WiFi器件直接连接接入点，接入点再使用以太网通过有线接至企业网。在蓝牙网中，蓝牙器件都接至起中继作用的另一无线器件(通常是一部手机，用作集线器)。在ZigBee网中，所有ZigBee器件都能转发彼此的业务，完全旁路有线网络。

图1 WiFi、蓝牙和ZigBee三种无线网的网络结构

　　5、无源RFID

　　无源RFID是比ZigBee更小、更便宜的无线电技术，现在已经存在。由于它们自身不含电源或处理器，无源RFID标记不能启动传送或中继彼此的业务。只有当它们进入RFID阅读器的电磁场范围内才被激活。

　　无源RFID本身并非新东西，成千上万的建筑物使用RFID接入卡，数百万辆汽车使用附着在挡风玻璃上的RFID标记来付过路费。但有两件事情是新的，一是无源RFID的成本已经降到标记可以随意贴的程度；二是新的标准已经推出。一个价值10美分的无源RFID标记使用电子产品码(EPC)可以存储对某一物体的完整描述。EPC是基于可扩展置标语言(xml)的一种用来描述物体的标准。

　　但是，现在很少有企业急于在每件东西上贴上无源RFID标记。这是因为虽然标记很便宜，但阅读它们和处理信息所需的基础设施并不便宜。无源RFID阅读器的覆盖距离与蓝牙相同，故被跟踪的物体必须在阅读器附近。一种做法是把阅读器放在建筑物的每一入口或出口，再用ZigBee把它们连接在一起。另一种做法是使用移动阅读器，它通过WiFi转发库存数据或把数据存入存储器。

　　目前对无源RFID的用途和潜力存在估计过高的现象。在美国使用无源RFID最多的是Wal-Mart，它要求其供货商到2005年在所有进货上贴上RFID标记。但这也就影响其100家最大的供货商，只在纸板箱和货柜上使用标记。在货架上的每件产品在可预见的将来不会使用RFID标记。

　　表l是对上述四种无线技术的简单比较。
表1　4种无线技术的简要比较

无线技术	优点	缺点	节点成本
WiFi(802.11b、a和g)	使用现有网络，高速率、前向后向兼容	高功耗、协议开销大、需要接入点	约20美元
蓝牙	目前用量很大、对语音最优	以移动电话为中心，每网最多8个节点	低于5美元
ZigBee (802.15.4)	低功耗、可选路的网状网，无需接入点	目前还没有产品，预计的成本和时间表可能不切实际	50美分（预计）
无源RFID标记	成本很低、无功耗	无处理能力，需要阅读器和数据存储器	5-50美分

　　6、802.15标准

　　短距离无线技术原本是为支持个人域网(PAN)而开发的，PAN由个人携带的电子小器具组成。但是IEEE和其它工业组织相信，它们的潜力远远不止于此。IEEE802.15工作组正在定义以下几种不同的短距离技术，其中有的已经超出了个人范围。

　　802.15.l本质上只是蓝牙低层协议的一个正式标准化版本。大多数标准制定工作仍由蓝牙特别兴趣组(SIG)在做，其成果将由IEEE批准。原始的802.15.1标准基于蓝牙1.1，在目前大多数蓝牙器件中采用的都是这一版本。新的版本802.15.1a将应于蓝牙1.2，它包括某些QoS增强功能，完全后向兼容。

　　802.15.2是对蓝牙和802.15.1的一些改变，其目的是减轻与802.l1b和802.1lg网络的干扰。这些网络都使用2.4GHz频段，故如果想同时使用蓝牙和WiFi的话，就需要使用802.15.2或其它专有方案。

　　802.15.3也称WiMedia，旨在高速率。最初它瞄准的是消费类器件，如电视机和数码照相机等。其原始版本规定的速率高达55Mbit/s，使用基于802.11但不兼容的物理层。后来多数厂商倾向于802.15.3a，这是使用UWB的MBOA的物理层，速率高达480Mbit/s。打算生产802.15.3a产品的厂商成立了WiMedia联盟，其任务是对设备进行测试和贴牌，以保证标准的一致性。

　　802.15.4如前所述旨在长电池寿命和低器件成本。速率可以低至9.6Mbit/s，不支持语音。ZigBee联盟正在制定在802.15.4上运行的高层协议，允许网状网的规模大小实际上可以不受限制。

　　802.15.5还在制定之中。其最终目的是使网状网能够在MAC层形成，不再需要ZigBee或IP选路。

　　第6种现在尚未正式列入802.15标准，它将包括基于太赫兹辐射(即T射线)的无线网。T射线结合光和无线电的特性，理论上可达到几千兆比特的速率。

　　7、结束语

　　上面介绍了将来可用于机对机应用的各种无线网。在这些无线网技术中，大多数设备至今还是太大、太贵，难以嵌入在每件东西中。但是人们正在努力把它们做得更小、更便宜。确实有可能做出可装在手表内部的50美分的无线电路由器。现在还不清楚的问题是，怎样以及是否要把这些新的联网器件与现有的企业网相连。

　　做一个能联网的器件是比较容易的，但要构筑一个可靠的网络就难得多。由移动节点组成的网状网需要多条冗余路由，故在构成移动节点的大量器件中必须含有网状网技术。在技术上这肯定是能够做到的，但是否切合实际，是否符合人们需要现在还难说。

　　无源RFID标记和传感器在某些行业中已经产生很大影响，能使供应链更加流畅、资产管理更加精细。自身带有存储器和处理能力的有源RFID可做的事情就更多。应该说，与潜在的好处及节省的成本相比，RFID的风险是很小的。但是，它们的市场前景现在还不很明朗，市场究竟是走向无源RFID、有源网状网，还是两者兼有之，还需要进一步观察。迄今还有许多无线标准在制定之中，其中有些可能以失败告终。对这一点，我们必须要有充分的认识。

　　
摘自　泰尔网

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