Hold住互联家庭的多种通信标准,你需要……

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把智能家居产品打造使用方便且直观的小工具是智能家居的梦想;但这很容易变成一场噩梦,因为协议标准互不兼容的产品无法进行有效通信。除了我们熟悉的Wi-Fi协议外,还有如低功耗蓝牙(BLE)、Zigbee和Thread等几种常见的物联网(IoT)标准正在崛起。此类低功耗、低数据速率的无线标准通常用于门锁、LED照明、智能扬声器和家电等物联网连接产品,见图1。
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图1,随着智能家居技术的激增,互操作性挑战也随之而来
 
为提高互操作性并降低智能家居消费者所面对的复杂性,包括亚马逊、苹果、谷歌和三星在内的行业领导者正携手推进名为“Matter”的全新标准。它将统一协议体系,为真正的互联家庭提供即插即用的消费类物联网设备。Matter建立在Wi-Fi和Thread基础之上,面向基于互联网协议(IP)的数据通信,同时利用低功耗蓝牙进行简单的设备接入。
 
不同标准所面临的挑战在于每种标准都对产品设计有其独特的要求——因此,供应商必须在设计新设备前决定采用哪种标准。尽管Matter作为一项推动标准化的举措值得欢迎,但迁移至Matter却难以一蹴而就;消费者希望其能继续支持手中旧有的Zigbee和低功耗蓝牙Mesh设备。
 
展望未来,越来越多的技术正在瞄准智能家居市场,例如将802.15.4和低功耗蓝牙融合为单一标准的IP互联家庭(Connected Home Over IP)计划.遗憾的是,这样的发展将让我们更加难以在技术和面向未来的解决方案间做出选择。
 
多协议网络的挑战 
 
与局限在一种技术而不可避免地做出妥协相比,消费者更希望能够选择支持多种无线协议的设备。当今的一些通信设备都支持某种形式的动态多协议(DMP),但这种方法会导致不同形式的折衷,因为仅靠DMP无法充分实现互联家庭的全部优势。
 
相反,真正无缝的连接只有在您能够同时接收和监听网络上的所有设备时才能实现,而不仅仅是少数几个设备。然而,当单个无线电必须同时支持多个协议时,在硬件和软件层面都会面临重大挑战。这是因为每个协议都有自己的规范,规定了设备应如何以及何时监听传入数据包,并发送传出数据包。
协议中的某些运行阶段可能有固定的时间间隔,在此期间无线电可以预测何时应切换至正确的频率(例如低功耗蓝牙的“连接中”阶段)。但是,在大多数情况下,特别是在监听阶段——即在检测候选连接时的实际连接阶段之前——无线电需要不断异步检测接收到的数据包,而事先并不知道无线电需要打开接收窗口并接收数据包的具体时间。
 
此外,应用程序需要一个简单易用的接口,以便以无缝的方式在多个协议上运行;由此让应用程序开发人员摆脱协议依赖性,消除了在需要时切换到相应协议的负担。
 
 并发监听解决方案 
 
为应对支持DMP的挑战,Qorvo开发了ConcurrentConnect技术。它可以使用不同的协议,流畅、连续地为两个或多个网络提供服务,无论是Zigbee+Matter或Zigbee+低功耗蓝牙,还是智能手机或Matter+低功耗蓝牙Mesh,亦或其它多网络协议用例。
 
ConcurrentConnect使家庭中通过不同网络连接的设备能够无缝运行,而不会造成性能损失,并可将产品设计直接迁移至Matter。为了说明这一点,让我们来看一个真实的网络情况,即使用不支持ConcurrentConnect的标准节点将Zigbee或Thread/Matter和低功耗蓝牙设备结合在一起,见图2。
 
Qorvo Matter
 
图2,在物联网早期阶段支离破碎的标准生态体系
 
由于此类节点不具备并发连接/监听能力,只能在这些标准间来回切换,每次只能与一种标准通信。除了明显的低效率外,这种切换还可能导致通信中断和延迟;因为只有一个标准进行通信,而另一个标准则被阻塞,直到介质恢复空闲。因此,在设定的时间范围内,通信量受到了挑战。
 
相比之下,采用ConcurrentConnect技术的节点可实现并发监听,这反过来也允许从低功耗蓝牙到Zigbee或Thread/Matter的近乎瞬时切换,而很少或根本不会出现通信中断。因此,设备间的通信速度更快、效率更高、可扩展性更强,并能接收更多数据包。
 
Qorvo的单芯片、单射频解决方案与易于使用的软件开发工具包相结合,可同时管理来自多个标准或协议的数据流量,并且不会出现可检测到的延迟。此外,设计人员还可以缩减组件数量,从而实现更小巧、更时尚的外形,和更低的产品成本,并更容易提供相关支持。
 
 技术工作原理 
 
ConcurrentConnect在硬件层面上实现了不同协议数据包的异步交错,从而使设备能够同时监听多个协议,并且在监听阶段不会检测到盲点(见图3)。由于该技术在监听来自多个协议异步事件的同时保持同步连接,因此这种方法可以最大限度地利用媒介。
 
这一技术同DMP的关键区别在于可预测性与不可预测性。DMP支持基于接收和发送数据包的可预测性;例如,它必须知道切换至低功耗蓝牙后再切换回Zigbee或Thread/Matter的时间。ConcurrentConnect技术则支持不可预测性,可同时进行同步和异步操作。
 
Qorvo Matter
图3,Zigbee和低功耗蓝牙数据包借助ConcurrentConnect技术的支持进行交错
 
ConcurrentConnect技术在Qorvo的软件开发工具包中进行了抽象;该工具包提供简单明了的API,因此应用开发人员可以在其应用中轻松使用该功能。它基于Qorvo平台的硬件功能,能够实现数据包的高效检测和识别。一旦检测到数据包,数据包就会在硬件层上被实时识别,然后发送至相应的协议栈,从而无需在更高的软件层上进行额外的非实时路由逻辑处理,见图4。
 
Qorvo Matter
图4,ConcurrentConnect支持 Qorvo硬件上的数据包路由;处理工作在硬件和软件层完成
 
Qorvo软件开发工具包下一步将为应用提供首选协议组合,让应用“认为”它拥有自己的无线电;由此简化了应用开发,使开发人员能够专注于实际应用的差异化。
 
因此,这一技术为家庭网络中的各类用例,包括网关、集线器和终端设备等提供了可能;这些用例需要支持多个不同设备间的高频数据传输。现在,网关可以在家庭网络中存在的所有标准与协议间无缝切换,从而能够连接和控制更多基于不同标准的终端设备。此外,设计人员和设备所有者在扩展家庭连接时也不会被锁定在某种技术上。
 
推动全新用例 
 
由于ConcurrentConnect技术所支持的网关现在能够同时理解多种协议,并允许混合使用终端设备,由此让物联网的新用例成为可能;此外,终端设备本身也允许更多的用例。例如,设备可以同时连接至低功耗蓝牙Mesh和Zigbee或Thread/Matter网络;或者,支持低功耗蓝牙的智能手机可以直接连接到设备,同时在Zigbee或Thread/Matter网络中运行。
 
并发监听的能力还为组合协议开辟了以前不可能实现的其它新用例;例如,基于Zigbee或Thread/Matter的设备可以通过持续扫描低功耗蓝牙跟踪器发出的低功耗蓝牙信标来实现“位置感知”。
 
在智能家居领域,联网照明是将受益于ConcurrentConnect技术的一个重要应用。灯泡有史以来首次可以同时由基于Zigbee或Thread/Matter的开关和低功耗蓝牙开关实现控制。运动传感器、恒温器和其它智能家居感知与控制设备也可获得类似的优势。
 
 结 论 
 
Qorvo的ConcurrentConnect技术成为超越动态多协议支持的下一代技术。它为物联网带来了极高的效率,推动并发操作达到全新水平,让设计人员能够无缝支持多种协议,并“干净利落”地推进向Matter的过渡,最终为消费者带来真正可互操作、用户友好的联网家庭体验。
 
本文转载自Qorvo半导体微信公众号
 
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