低速率網絡技術任重道遠
要點
● 低速率網絡隨時準備接替人為的數據采集和控制任務,從而為工業和樓宇管理部門節省大量人力物力;
● 連續監視和控制分布式系統的無線低數據速率網絡采用低成本硬件,并具有很長的電池壽命;
● 新近的IEEE標準802.15.4為短距離低數據速率網絡規定了物理層和媒介接入控制通信層;
● 由60多家制造商組成的ZigBee聯盟承諾增加其余的網絡層、安全層和應用層,以完善這個新標準;
● 盡管專有的通信協議目前占據主導地位,但新標準可使設計師降低成本并實現產品互操作性。
盡管最近人們對設計和媒體的關注大多都集中在寬帶寬視頻無線網絡上,但是低成本低數據速率RF鏈路市場有可能會更大。在企業和工業環境中,重復性系統控制和數據采集工作數量很大,只要其中一部分實現自動化,就可節省大量人力物力。盡管專有的窄帶寬聯網產品已經上市多年,但協議標準化的新推動力有望通過提高產量來降低硅片成本,并保證器件供應商之間的互操作性。隨著新產品和新標準的出現,這些低成本通信鏈路應被證明是很受歡迎的,因為用戶無須安裝昂貴而不靈活的網絡線纜,可以直接節省人力物力。
現在確實有成千上萬個嵌入式系統是由可靠的窄帶寬通信網絡來提供滿意的性能并降低成本的。例如,樓宇自動化系統可以根據溫度、區域活動程度和時間段來使照明、供暖和空調的使用量減少到最低程度,從而大大消減能源成本。為了消除不必要的服務電話或設備更換,工業用戶正在安裝低速率網絡來監控生產機器的狀況。公共服務提供商利用自動化儀表讀出設備,每年就能節省數以百萬美元計的費用,因為自動化儀表讀出設備能實現負載均衡,識別電路故障,消除遠程計量儀表啟用、停用和讀數等人工事務。訪問控制系統、醫療監護系統和安全系統也可以利用安裝在重要部位的無線鏈路來降低勞動成本。
盡管個別參數因應用系統不同而各異,但幾個共同的設計要求就是低數據速率無線網絡的特征。大多數應用系統都需要大量的傳感器或控制節點;因此,經過簡化的低成本硬件至關重要。由于你可能會將網絡節點部署在無法進入的偏遠地點,所以延長電池壽命也是主要的目標之一。雖然節點成本低意味著處理資源減小和軟件簡化,但用戶仍然希望在許多工業應用系統所處的惡劣RF環境中,數據傳輸要安全可靠。低速率網絡還必須具有伸縮性和適應性,以便用戶根據情況變化快速而又方便地添加或重新配置節點。
與寬帶寬網絡一樣,為了獲得最佳性能,你可以將低速率網絡安排成多種配置。例如,一個點對點無線橋接器把兩個端點連接起來,就可替代一根通信電纜。你可以用一條點對點無線鏈路將遙控面板連接到一臺移動設備(例如機器人)上,從而去除系留在移動設備上的電纜。許多低數據速率點對點鏈路在其兩端均有低成本收發器,用以轉換為通用的通信協議,例如RS-232。另一種無線網絡形式,即一點對多點的無線網絡,包括一個中心基站和多個以星形或輻(hub-and-spoke)形安排的無線節點。Bluetooth和IEEE 802.11的各種變體雖然被認為是寬帶網絡,但都基于一點對多點模式。
網狀網絡是第三種無線網絡形式,這是一種低功耗多跳系統,它通過從一個節點到另一個節點的數據包傳輸來處理信息,直到數據包到達目的地為止。一個一點對多點網絡節點濾除除自己的數據包以外的所有數據包,網狀網絡節點則與之不同,接收并轉發數據包到其它節點地址。多跳網絡非常像互聯網那樣運行,并提供幾條從源至目的地的備份通信路徑。如果一條路徑由于硬件失效或干擾而停止工作,則網狀網絡就會通過一條替代路徑自動地重新傳遞數據包。
除了形式之外,無線網絡的另一個不同之處在于通信距離和用途。WPAN(無線個人區域網)的通信距離為0~10m,WPAN 的創造者最初打算像藍牙那樣將其用于互連個人工作區附近的外圍設備。最近,WPAN的定義已經擴展到包含任何短距離通信鏈路。因此,許多低數據速率網絡都歸入這一類。隨著距離的增加,WLAN(無線局域網)——例如IEEE 802.11b——擴展到大約100m,而WWAN(無線廣域網)的通信距離則在100m以上。
雖然短距離無線產品常常使用專有協議,但IEEE已經授權一個工作組制訂有關工作在非特許國際頻段的超低功耗低數據速率網絡的標準。IEEE在2003年5月批準了這一工作組制訂的標準,即IEEE 802.15.4。該標準為工作波段和數據速率分別為868-MHz和20 kbps、915-MHz和40 kbps以及2.4-GHz波段和250 kbps的三種低速設備通信規定了PHY(物理層)和MAC(媒介接入控制層)子層技術規范。你可以將能對多于65,000個節點進行尋址的網絡安排成星形或對等結構。發送器在低于1GHz波段時采用BPSK(二進制相移鍵控)的DSSS(直接序列擴展頻譜),而在2.4-GHz波段采用O-QPSK(偏移-正交相移鍵控)的DSSS。該標準規定:2.4-GHz波段有16個信道,915-MHz波段有10個信道,868-MHz波段有1個信道。信道接入方法為CSMA/CA(載波檢測多路存取/沖突避免)。這一規范描述了兩類網絡節點,其中一類是執行任何網絡任務的FFD(全功能設備)另一類是用于對成本敏感的應用系統、資源與功能有限的RFD(縮減功能設備)。你可以從http://standards.ieee.org/getieee802網站免費下載這一長達679頁的標準。
進入ZigBee
由于掌握了一項有關PHY和MAC層的全球標準,ZigBee聯盟正在努力定義其余的網絡層、安全層和應用層,因為這些層是任何新的無線規范被廣泛接受所必需的(圖1)。在Motorola公司、Honeywell公司、Samsung Electronics公司、Philips公司、Invensys公司和Mitsubishi Electric公司支持下,ZigBee聯盟有60多個成員公司,預計到2004年底提交其規范的初始版本。作為類似于Wi-Fi聯盟在制訂802.11時的角色,ZigBee聯盟計劃提供互操作性及一致性測試規范,推廣ZigBee品牌,并管理技術的演進。
圖1,ZigBee的通信層,加上IEEE 802.15.4的物理層和媒介接入控制層,就是一個完整的低數據速率連網標準。
要點
● 低速率網絡隨時準備接替人為的數據采集和控制任務,從而為工業和樓宇管理部門節省大量人力物力;
● 連續監視和控制分布式系統的無線低數據速率網絡采用低成本硬件,并具有很長的電池壽命;
● 新近的IEEE標準802.15.4為短距離低數據速率網絡規定了物理層和媒介接入控制通信層;
● 由60多家制造商組成的ZigBee聯盟承諾增加其余的網絡層、安全層和應用層,以完善這個新標準;
● 盡管專有的通信協議目前占據主導地位,但新標準可使設計師降低成本并實現產品互操作性。
盡管最近人們對設計和媒體的關注大多都集中在寬帶寬視頻無線網絡上,但是低成本低數據速率RF鏈路市場有可能會更大。在企業和工業環境中,重復性系統控制和數據采集工作數量很大,只要其中一部分實現自動化,就可節省大量人力物力。盡管專有的窄帶寬聯網產品已經上市多年,但協議標準化的新推動力有望通過提高產量來降低硅片成本,并保證器件供應商之間的互操作性。隨著新產品和新標準的出現,這些低成本通信鏈路應被證明是很受歡迎的,因為用戶無須安裝昂貴而不靈活的網絡線纜,可以直接節省人力物力。
現在確實有成千上萬個嵌入式系統是由可靠的窄帶寬通信網絡來提供滿意的性能并降低成本的。例如,樓宇自動化系統可以根據溫度、區域活動程度和時間段來使照明、供暖和空調的使用量減少到最低程度,從而大大消減能源成本。為了消除不必要的服務電話或設備更換,工業用戶正在安裝低速率網絡來監控生產機器的狀況。公共服務提供商利用自動化儀表讀出設備,每年就能節省數以百萬美元計的費用,因為自動化儀表讀出設備能實現負載均衡,識別電路故障,消除遠程計量儀表啟用、停用和讀數等人工事務。訪問控制系統、醫療監護系統和安全系統也可以利用安裝在重要部位的無線鏈路來降低勞動成本。
盡管個別參數因應用系統不同而各異,但幾個共同的設計要求就是低數據速率無線網絡的特征。大多數應用系統都需要大量的傳感器或控制節點;因此,經過簡化的低成本硬件至關重要。由于你可能會將網絡節點部署在無法進入的偏遠地點,所以延長電池壽命也是主要的目標之一。雖然節點成本低意味著處理資源減小和軟件簡化,但用戶仍然希望在許多工業應用系統所處的惡劣RF環境中,數據傳輸要安全可靠。低速率網絡還必須具有伸縮性和適應性,以便用戶根據情況變化快速而又方便地添加或重新配置節點。
與寬帶寬網絡一樣,為了獲得最佳性能,你可以將低速率網絡安排成多種配置。例如,一個點對點無線橋接器把兩個端點連接起來,就可替代一根通信電纜。你可以用一條點對點無線鏈路將遙控面板連接到一臺移動設備(例如機器人)上,從而去除系留在移動設備上的電纜。許多低數據速率點對點鏈路在其兩端均有低成本收發器,用以轉換為通用的通信協議,例如RS-232。另一種無線網絡形式,即一點對多點的無線網絡,包括一個中心基站和多個以星形或輻(hub-and-spoke)形安排的無線節點。Bluetooth和IEEE 802.11的各種變體雖然被認為是寬帶網絡,但都基于一點對多點模式。
網狀網絡是第三種無線網絡形式,這是一種低功耗多跳系統,它通過從一個節點到另一個節點的數據包傳輸來處理信息,直到數據包到達目的地為止。一個一點對多點網絡節點濾除除自己的數據包以外的所有數據包,網狀網絡節點則與之不同,接收并轉發數據包到其它節點地址。多跳網絡非常像互聯網那樣運行,并提供幾條從源至目的地的備份通信路徑。如果一條路徑由于硬件失效或干擾而停止工作,則網狀網絡就會通過一條替代路徑自動地重新傳遞數據包。
除了形式之外,無線網絡的另一個不同之處在于通信距離和用途。WPAN(無線個人區域網)的通信距離為0~10m,WPAN 的創造者最初打算像藍牙那樣將其用于互連個人工作區附近的外圍設備。最近,WPAN的定義已經擴展到包含任何短距離通信鏈路。因此,許多低數據速率網絡都歸入這一類。隨著距離的增加,WLAN(無線局域網)——例如IEEE 802.11b——擴展到大約100m,而WWAN(無線廣域網)的通信距離則在100m以上。
雖然短距離無線產品常常使用專有協議,但IEEE已經授權一個工作組制訂有關工作在非特許國際頻段的超低功耗低數據速率網絡的標準。IEEE在2003年5月批準了這一工作組制訂的標準,即IEEE 802.15.4。該標準為工作波段和數據速率分別為868-MHz和20 kbps、915-MHz和40 kbps以及2.4-GHz波段和250 kbps的三種低速設備通信規定了PHY(物理層)和MAC(媒介接入控制層)子層技術規范。你可以將能對多于65,000個節點進行尋址的網絡安排成星形或對等結構。發送器在低于1GHz波段時采用BPSK(二進制相移鍵控)的DSSS(直接序列擴展頻譜),而在2.4-GHz波段采用O-QPSK(偏移-正交相移鍵控)的DSSS。該標準規定:2.4-GHz波段有16個信道,915-MHz波段有10個信道,868-MHz波段有1個信道。信道接入方法為CSMA/CA(載波檢測多路存取/沖突避免)。這一規范描述了兩類網絡節點,其中一類是執行任何網絡任務的FFD(全功能設備)另一類是用于對成本敏感的應用系統、資源與功能有限的RFD(縮減功能設備)。你可以從http://standards.ieee.org/getieee802網站免費下載這一長達679頁的標準。
進入ZigBee
由于掌握了一項有關PHY和MAC層的全球標準,ZigBee聯盟正在努力定義其余的網絡層、安全層和應用層,因為這些層是任何新的無線規范被廣泛接受所必需的(圖1)。在Motorola公司、Honeywell公司、Samsung Electronics公司、Philips公司、Invensys公司和Mitsubishi Electric公司支持下,ZigBee聯盟有60多個成員公司,預計到2004年底提交其規范的初始版本。作為類似于Wi-Fi聯盟在制訂802.11時的角色,ZigBee聯盟計劃提供互操作性及一致性測試規范,推廣ZigBee品牌,并管理技術的演進。
圖1,ZigBee的通信層,加上IEEE 802.15.4的物理層和媒介接入控制層,就是一個完整的低數據速率連網標準。
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