“關(guān)于物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線接入技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的好消息是有很多可供選擇的接入技術(shù)。” - Andrew S. Tanebaum
該引述的擴(kuò)展版本增加了“此外，如果你不喜歡其中任何一種接入技術(shù)，那么你可以等待明年的物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線接入技術(shù)的模式標(biāo)準(zhǔn)。”
談到物聯(lián)網(wǎng)和無(wú)線連接技術(shù)時(shí)，情況并非如此。每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)組織都在急于創(chuàng)建使用比現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)更少功率的新版本的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，這些新版本的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)具有更多可能的連接，在覆蓋范圍和帶寬之間提供平衡，或使其更易于集成到SoC中。到目前為止，還沒(méi)有明確的贏家，這使得邊緣設(shè)備制造商很難據(jù)此來(lái)優(yōu)化他們的產(chǎn)品。
大多數(shù)物聯(lián)網(wǎng)邊緣產(chǎn)品都希望控制喚醒時(shí)間調(diào)度表以降低功耗。 “考慮一個(gè)輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(TPMS)，”西門(mén)子公司Mentor的坦納(Tanner)產(chǎn)品線的營(yíng)銷(xiāo)經(jīng)理Jeff Miller說(shuō)。 “它需要在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間間隔對(duì)汽車(chē)輪胎進(jìn)行壓力測(cè)量，并可根據(jù)輪胎是否移動(dòng)來(lái)調(diào)整喚醒的時(shí)間間隔來(lái)節(jié)省電力。當(dāng)數(shù)據(jù)關(guān)閉或不在接收監(jiān)聽(tīng)時(shí)，就沒(méi)有必要向汽車(chē)發(fā)送數(shù)據(jù)。只有在真正需要的時(shí)候才需要使用無(wú)線接入部分。
“而這些是假定你在控制你自己的測(cè)量時(shí)間表，并且你沒(méi)有外部命令的驅(qū)動(dòng)。 “當(dāng)有外部驅(qū)動(dòng)時(shí)，你必須考慮可忍受的延時(shí)等待時(shí)間，而且需要需要消耗功率去偵聽(tīng)，”Miller說(shuō)。 “它需要對(duì)物聯(lián)網(wǎng)的無(wú)線部分通電，并且可能會(huì)有一些前端處理只是為了偵聽(tīng)傳入的指令。”
選擇一種無(wú)線接入?yún)f(xié)議
對(duì)于許多應(yīng)用程序(如TPMS)，您無(wú)法選擇您所使用的協(xié)議。您必須在世界各地使用的頻率下討論標(biāo)準(zhǔn)汽車(chē)協(xié)議。但是對(duì)于許多邊緣設(shè)備而言它們的選擇并不那么清晰。
Imagination Technologies公司Ensigma集團(tuán)通信技術(shù)總監(jiān)Richard Edgar指出：“無(wú)線協(xié)議是由基礎(chǔ)設(shè)施決定的，但這個(gè)問(wèn)題存在多個(gè)層次。 “如果無(wú)線基礎(chǔ)設(shè)施已經(jīng)到位，那么所使用的系統(tǒng)很可能是利用現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施的系統(tǒng)。重要的是要記住，無(wú)線基礎(chǔ)設(shè)施可以包括諸如蜂窩(3G或4G)或LoWPAN(低功率WPAN，low power WPAN)之類(lèi)的WPAN(無(wú)線個(gè)人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)，wireless personal area networks)技術(shù)，盡管它們不是您的基礎(chǔ)設(shè)施的一部分，但是是可以被利用。今天，越來(lái)越多的基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備可以支持多種無(wú)線協(xié)議，例如Wi-Fi，藍(lán)牙和802.15.4解決方案等。
“正確的協(xié)議由許多特性決定的，包括覆蓋范圍，帶寬，延遲，開(kāi)銷(xiāo)，連接到接入點(diǎn)(AP)的傳感器數(shù)量，當(dāng)然還有AP支持的協(xié)議。
“對(duì)于很多設(shè)備來(lái)說(shuō)，WiFi是一個(gè)有吸引力的協(xié)議，但是它需要消耗很多電力才能成為網(wǎng)絡(luò)的一部分，”Miller說(shuō)。 “對(duì)于長(zhǎng)期使用電池供電的設(shè)備，WiFi并不是一個(gè)很好的選擇，盡管考慮到現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施的存在wifi可能是非常自然的選擇。而一些較高層的藍(lán)牙協(xié)議也是如此，盡管它們確實(shí)是為電池供電的設(shè)備而設(shè)計(jì)的。最新的利用藍(lán)牙低功耗(Bluetooth low energy)版本，通過(guò)真正優(yōu)化他們對(duì)話的頻率，并可以調(diào)度他們偵聽(tīng)新命令的時(shí)間，這些都讓你可以獲得多年的電池壽命。
“Synopsys物聯(lián)網(wǎng)戰(zhàn)略營(yíng)銷(xiāo)經(jīng)理Ron Lowman也認(rèn)為WiFi的采用存在問(wèn)題。 “與藍(lán)牙低功耗相比，WiFi使用10倍到100倍的功耗。有些公司正試圖降低WiFi的功耗，因?yàn)樗鼰o(wú)處不在。但它永遠(yuǎn)不會(huì)達(dá)到其他協(xié)議的水平。我相信它一直會(huì)保持是其它技術(shù)的3X倍到10X倍的高功耗。“但那是值得等待回報(bào)的地方。
“一種新興的WiFi 802.11ah版本具有多項(xiàng)特性技術(shù)，其目標(biāo)是低功耗，并且可以支持許多設(shè)備，”Adapt-IP工程副總裁Straff Wentworth說(shuō)。 “在802.11ac中有一個(gè)燈塔，設(shè)備保持清醒并聽(tīng)取信標(biāo)。
但是，一個(gè)設(shè)備可以告訴AP它預(yù)計(jì)在兩天內(nèi)通信。 AP將注冊(cè)，并且當(dāng)設(shè)備醒來(lái)時(shí)，通信才可以開(kāi)始。設(shè)備本身可以根據(jù)其需要報(bào)告數(shù)據(jù)來(lái)控制其電池使用情況。此外，802.11ah在亞GHz(902至928MHz)范圍內(nèi)運(yùn)行。當(dāng)你試圖加快信息比特傳輸時(shí)，你會(huì)消耗很多功率。所以他們放棄了這個(gè)頻率。
“這很大程度上取決于需要發(fā)送多少數(shù)據(jù)。 “如果你只發(fā)送少量數(shù)據(jù)，那么Zigbee和Thread可以降低功耗，因?yàn)檫@些信令非常簡(jiǎn)單，”Lowman說(shuō)。 “但是如果你有更多的數(shù)據(jù)，你可以通過(guò)藍(lán)牙發(fā)送更高的數(shù)據(jù)，并盡快關(guān)閉。因此存在設(shè)計(jì)權(quán)衡，并且不同的協(xié)議出于不同的原因進(jìn)行權(quán)衡。來(lái)為實(shí)現(xiàn)這些目的每種協(xié)議都有特定的利基細(xì)分市場(chǎng)。因此所有的協(xié)議都因此而幸存下來(lái)。
“溫特沃斯(Wentworth)指出另一個(gè)要考慮的因素。 “802.11ah將支持覆蓋距離1公里的8000多個(gè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，這個(gè)距離通常為0.62英里，覆蓋面積為490英畝，但是可以根據(jù)覆蓋范圍調(diào)整吞吐量。”
相比之下，隨著更多連接數(shù)的增加，藍(lán)牙的股改距離大約為100米，并且會(huì)導(dǎo)致額外的延遲。
Lowman說(shuō)：“Thread和Zigbee支持更多的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)配置。 “每一次都可以關(guān)閉并喚醒，看看是否有信號(hào)。藍(lán)牙傾向于淹沒(méi)消息，因此它更多時(shí)間處于開(kāi)啟狀態(tài)，并且必須發(fā)送給所有人。藍(lán)牙最近采用了網(wǎng)狀技術(shù)，而其他兩種標(biāo)準(zhǔn)自誕生之日起就具備了這種能力。
“Thread(線程)和Zigbee基于相同的802.15.4無(wú)線電標(biāo)準(zhǔn)，并具有相似的有效載荷。 (見(jiàn)下圖)
無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)比較
進(jìn)行折衷
即使在選定協(xié)議后仍有待作出決定。Miller(米勒)指出：“發(fā)射機(jī)的功率并不依賴(lài)于協(xié)議。 “這通常是他們?cè)O(shè)計(jì)中非常關(guān)鍵的一部分。藍(lán)牙低功耗可以配置比耳機(jī)等典型應(yīng)用的更長(zhǎng)的覆蓋范圍。但覆蓋范圍和功率彼此交換，并且經(jīng)常被動(dòng)態(tài)地優(yōu)化。你可以用你認(rèn)為合適的水平進(jìn)行廣播，如果你沒(méi)有得到接納(acknowledged)，你就會(huì)知道你必須達(dá)到更高的功率水平，并且談判協(xié)商切換的功率，直到你得到一個(gè)好的回應(yīng)。
“藍(lán)牙5(Bluetooth 5)的發(fā)射功率可以達(dá)到20dBm。 “我們的IP在沒(méi)有放大器的情況下可以達(dá)到6dBm，但是你可以添加一個(gè)放大器可以相應(yīng)地提高到20dBm，”Lowman說(shuō)。 “這決定了他們可以覆蓋的距離。很多距離都是在前面設(shè)計(jì)的，所以他們需要了解這些功能。有選擇可以改變芯片的供電，藍(lán)牙低能量協(xié)議將會(huì)增加方向性 - 發(fā)射的角度，這些功能特別適用于室內(nèi)導(dǎo)航。這一功能將在今年晚些時(shí)候提供。這使他們能夠計(jì)算出彼此之間的距離。
“頻率也可以產(chǎn)生相當(dāng)大的差異。 “較低的數(shù)據(jù)速率將具有比高數(shù)據(jù)速率更長(zhǎng)的覆蓋范圍(對(duì)于相同的頻率和Tx功率而言)”，Edgar解釋說(shuō)。 “另外，頻譜越低，覆蓋范圍越長(zhǎng)(對(duì)于相同的Tx功率而言)。例如，Wi-Fi 11n系統(tǒng)的2.4 GHz頻率覆蓋范圍是頻率為5Ghz的覆蓋范圍的兩倍(對(duì)于相同的Tx功率)。
“業(yè)界正在探索的另一個(gè)折衷是在本地執(zhí)行的處理量。
“最初，每個(gè)人都在談?wù)撐锫?lián)網(wǎng)，尤其是那些為云計(jì)算開(kāi)發(fā)高端芯片的人，并期待將所有數(shù)據(jù)發(fā)送到云端，”Lowman說(shuō)。 “但這是非常昂貴的。你必須在邊緣做一些聰明的事情來(lái)決定發(fā)送什么信息，什么時(shí)候發(fā)送，以及是否有可以在本地完成處理，這將減少必須要發(fā)送的數(shù)據(jù)量。“
互聯(lián)網(wǎng)的演進(jìn)
這增加了另一套折衷。 “更多的邊緣處理可能會(huì)減少通信量，但這可能會(huì)降低功耗，”Miller指出。 “你正在使用稀缺的資源，既功率和帶寬進(jìn)行交易。”
集成
今天許多物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備由集成在電路板上的標(biāo)準(zhǔn)組件組成。這使得更換無(wú)線電子系統(tǒng)變得相當(dāng)容易，但就功耗而言這是一個(gè)昂貴的解決方案。
“在一個(gè)案例研究中，設(shè)計(jì)遷移到定制芯片而不是現(xiàn)成的組件，可以將功耗降低了70%，”Miller解釋說(shuō)。 “他們從12個(gè)芯片變?yōu)?個(gè)芯片.”在過(guò)去，購(gòu)買(mǎi)包含無(wú)線部分的芯片并將其集成到電路板級(jí)是很常見(jiàn)的。 “現(xiàn)在我們看到更多單芯片解決方案出現(xiàn)了，”Lowman說(shuō)。 “從功率角度和安全角度來(lái)看，無(wú)線電必須在片上。工藝技術(shù)節(jié)點(diǎn)也已經(jīng)與這種趨勢(shì)對(duì)齊。我們看到40nm和55nm成為這些低功耗無(wú)線解決方案的熱門(mén)工藝節(jié)點(diǎn)。
“這些技術(shù)節(jié)點(diǎn)上有許多無(wú)線接入技術(shù)。 “40納米工藝節(jié)點(diǎn)通常可用于藍(lán)牙低功耗IP中，您仍然可以通過(guò)數(shù)字功能與合理的模擬庫(kù)以及合理選擇的射頻器件進(jìn)行良好的折衷，”Miller說(shuō)。 “對(duì)于某些協(xié)議，您可能必須轉(zhuǎn)向180nm才能為RF提供更高的電壓或更高的功率。你不會(huì)用7nm finFET做到這一點(diǎn)。這取決于應(yīng)用。如果你正在做圖像處理，音頻或機(jī)器學(xué)習(xí)，那么你可能需要去采用一個(gè)較小的工藝節(jié)點(diǎn)，并可能在封裝中有多個(gè)芯片。“
各種邊緣計(jì)算技術(shù)對(duì)比
另一個(gè)決定是購(gòu)買(mǎi)IP的類(lèi)型。雖然無(wú)線電部分本身可能是硬宏，但數(shù)字電路提供了更大的靈活性。 “有PHY(物理層)部分，還有基帶部分，可以將模擬轉(zhuǎn)換為數(shù)字。然后是MAC(Media Access Control)組件，它為分組重傳和分片重組做了工作，“Wentworth解釋說(shuō)。 “使用先進(jìn)的綜合技術(shù)可以讓我們以更少的資金更快地移動(dòng)。它還可以添加諸如加密之類(lèi)的東西。
“安全正成為一個(gè)更大的問(wèn)題。 Lowman說(shuō)：“很多設(shè)備都被黑了，因?yàn)楦緵](méi)有安全措施。 “這通常是因?yàn)檐浖膹?fù)雜性，或者他們只是不想花時(shí)間去做。今天所有的無(wú)線技術(shù)都有安全選項(xiàng)。如果要他們打開(kāi)和使用這是一個(gè)問(wèn)題。我們有可選的硬件加速功能可以添加到我們的無(wú)線解決方案中。通常情況下，我們看到他們沒(méi)有采用它，但他們開(kāi)始提出更多問(wèn)題，例如芯片上具有加速器的能力。較新的芯片組更有可能添加這些。它可以通過(guò)多種方式完成。您不必添加加速器。你可以用軟件來(lái)完成。您可以使用內(nèi)置在SoC中的簡(jiǎn)單加密或完全可信的執(zhí)行環(huán)境。
“然而，這需要付出代價(jià)。 “通信需要更高的安全性需要更長(zhǎng)的密鑰和更好的加密方案，”Fraunhofer工程自適應(yīng)系統(tǒng)部門(mén)設(shè)計(jì)方法部門(mén)主管Roland Jancke指出。 “這與移動(dòng)設(shè)備對(duì)低功耗的需求相矛盾。影響合適協(xié)議選擇的其他參數(shù)包括延遲時(shí)間，直到建立通信鏈路，檢測(cè)并糾正傳輸失敗以及抵御其他無(wú)線電業(yè)務(wù)的干擾。
“最終，你必須分析威脅級(jí)別并評(píng)估需求，并根據(jù)芯片的大小或功耗來(lái)查看他們可以承受的費(fèi)用，”Lowman總結(jié)說(shuō)。
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