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物联网无线接入技术的未来在哪?

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发表于 2018-6-27 22:15:23 | 显示全部楼层 |阅读模式
物联网无线接入技术的设计权衡包括功耗,性能,安全。每种物联网无线接入技术标准都有其自身的优点和缺点。

“关于物联网无线接入技术标准的好消息是有很多可供选择的接入技术。” - Andrew S. Tanebaum

该引述的扩展版本增加了“此外,如果你不喜欢其中任何一种接入技术,那么你可以等待明年的物联网无线接入技术的模式标准。”

谈到物联网和无线连接技术时,情况并非如此。每个标准组织都在急于创建使用比现有标准更少功率的新版本的技术标准,这些新版本的技术标准具有更多可能的连接,在覆盖范围和带宽之间提供平衡,或使其更易于集成到SoC中。到目前为止,还没有明确的赢家,这使得边缘设备制造商很难据此来优化他们的产品。

大多数物联网边缘产品都希望控制唤醒时间调度表以降低功耗。 “考虑一个轮胎压力监测系统(TPMS),”西门子公司Mentor的坦纳(Tanner)产品线的营销经理Jeff Miller说。 “它需要在适当的时间间隔对汽车轮胎进行压力测量,并可根据轮胎是否移动来调整唤醒的时间间隔来节省电力。当数据关闭或不在接收监听时,就没有必要向汽车发送数据。只有在真正需要的时候才需要使用无线接入部分。

“而这些是假定你在控制你自己的测量时间表,并且你没有外部命令的驱动。 “当有外部驱动时,你必须考虑可忍受的延时等待时间,而且需要需要消耗功率去侦听,”Miller说。 “它需要对物联网的无线部分通电,并且可能会有一些前端处理只是为了侦听传入的指令。”

选择一种无线接入协议

对于许多应用程序(如TPMS),您无法选择您所使用的协议。您必须在世界各地使用的频率下讨论标准汽车协议。但是对于许多边缘设备而言它们的选择并不那么清晰。

Imagination Technologies公司Ensigma集团通信技术总监Richard Edgar指出:“无线协议是由基础设施决定的,但这个问题存在多个层次。 “如果无线基础设施已经到位,那么所使用的系统很可能是利用现有基础设施的系统。重要的是要记住,无线基础设施可以包括诸如蜂窝(3G或4G)或LoWPAN(低功率WPAN,low power WPAN)之类的WPAN(无线个人区域网络,wireless personal area networks)技术,尽管它们不是您的基础设施的一部分,但是是可以被利用。今天,越来越多的基础设施设备可以支持多种无线协议,例如Wi-Fi,蓝牙和802.15.4解决方案等。

“正确的协议由许多特性决定的,包括覆盖范围,带宽,延迟,开销,连接到接入点(AP)的传感器数量,当然还有AP支持的协议。

“对于很多设备来说,WiFi是一个有吸引力的协议,但是它需要消耗很多电力才能成为网络的一部分,”Miller说。 “对于长期使用电池供电的设备,WiFi并不是一个很好的选择,尽管考虑到现有基础设施的存在wifi可能是非常自然的选择。而一些较高层的蓝牙协议也是如此,尽管它们确实是为电池供电的设备而设计的。最新的利用蓝牙低功耗(Bluetooth low energy)版本,通过真正优化他们对话的频率,并可以调度他们侦听新命令的时间,这些都让你可以获得多年的电池寿命。

“Synopsys物联网战略营销经理Ron Lowman也认为WiFi的采用存在问题。 “与蓝牙低功耗相比,WiFi使用10倍到100倍的功耗。有些公司正试图降低WiFi的功耗,因为它无处不在。但它永远不会达到其他协议的水平。我相信它一直会保持是其它技术的3X倍到10X倍的高功耗。“但那是值得等待回报的地方。

“一种新兴的WiFi 802.11ah版本具有多项特性技术,其目标是低功耗,并且可以支持许多设备,”Adapt-IP工程副总裁Straff Wentworth说。 “在802.11ac中有一个灯塔,设备保持清醒并听取信标。

但是,一个设备可以告诉AP它预计在两天内通信。 AP将注册,并且当设备醒来时,通信才可以开始。设备本身可以根据其需要报告数据来控制其电池使用情况。此外,802.11ah在亚GHz(902至928MHz)范围内运行。当你试图加快信息比特传输时,你会消耗很多功率。所以他们放弃了这个频率。

“这很大程度上取决于需要发送多少数据。 “如果你只发送少量数据,那么Zigbee和Thread可以降低功耗,因为这些信令非常简单,”Lowman说。 “但是如果你有更多的数据,你可以通过蓝牙发送更高的数据,并尽快关闭。因此存在设计权衡,并且不同的协议出于不同的原因进行权衡。来为实现这些目的每种协议都有特定的利基细分市场。因此所有的协议都因此而幸存下来。

“温特沃斯(Wentworth)指出另一个要考虑的因素。 “802.11ah将支持覆盖距离1公里的8000多个物联网设备,这个距离通常为0.62英里,覆盖面积为490英亩,但是可以根据覆盖范围调整吞吐量。”

相比之下,随着更多连接数的增加,蓝牙的股改距离大约为100米,并且会导致额外的延迟。

Lowman说:“Thread和Zigbee支持更多的点对点配置。 “每一次都可以关闭并唤醒,看看是否有信号。蓝牙倾向于淹没消息,因此它更多时间处于开启状态,并且必须发送给所有人。蓝牙最近采用了网状技术,而其他两种标准自诞生之日起就具备了这种能力。

“Thread(线程)和Zigbee基于相同的802.15.4无线电标准,并具有相似的有效载荷。 (见下图)
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无线标准比较

进行折衷

即使在选定协议后仍有待作出决定。Miller(米勒)指出:“发射机的功率并不依赖于协议。 “这通常是他们设计中非常关键的一部分。蓝牙低功耗可以配置比耳机等典型应用的更长的覆盖范围。但覆盖范围和功率彼此交换,并且经常被动态地优化。你可以用你认为合适的水平进行广播,如果你没有得到接纳(acknowledged),你就会知道你必须达到更高的功率水平,并且谈判协商切换的功率,直到你得到一个好的回应。

“蓝牙5(Bluetooth 5)的发射功率可以达到20dBm。 “我们的IP在没有放大器的情况下可以达到6dBm,但是你可以添加一个放大器可以相应地提高到20dBm,”Lowman说。 “这决定了他们可以覆盖的距离。很多距离都是在前面设计的,所以他们需要了解这些功能。有选择可以改变芯片的供电,蓝牙低能量协议将会增加方向性 - 发射的角度,这些功能特别适用于室内导航。这一功能将在今年晚些时候提供。这使他们能够计算出彼此之间的距离。

“频率也可以产生相当大的差异。 “较低的数据速率将具有比高数据速率更长的覆盖范围(对于相同的频率和Tx功率而言)”,Edgar解释说。 “另外,频谱越低,覆盖范围越长(对于相同的Tx功率而言)。例如,Wi-Fi 11n系统的2.4 GHz频率覆盖范围是频率为5Ghz的覆盖范围的两倍(对于相同的Tx功率)。

“业界正在探索的另一个折衷是在本地执行的处理量。

“最初,每个人都在谈论物联网,尤其是那些为云计算开发高端芯片的人,并期待将所有数据发送到云端,”Lowman说。 “但这是非常昂贵的。你必须在边缘做一些聪明的事情来决定发送什么信息,什么时候发送,以及是否有可以在本地完成处理,这将减少必须要发送的数据量。“
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互联网的演进

这增加了另一套折衷。 “更多的边缘处理可能会减少通信量,但这可能会降低功耗,”Miller指出。 “你正在使用稀缺的资源,既功率和带宽进行交易。”

集成

今天许多物联网设备由集成在电路板上的标准组件组成。这使得更换无线电子系统变得相当容易,但就功耗而言这是一个昂贵的解决方案。

“在一个案例研究中,设计迁移到定制芯片而不是现成的组件,可以将功耗降低了70%,”Miller解释说。 “他们从12个芯片变为1个芯片.”在过去,购买包含无线部分的芯片并将其集成到电路板级是很常见的。 “现在我们看到更多单芯片解决方案出现了,”Lowman说。 “从功率角度和安全角度来看,无线电必须在片上。工艺技术节点也已经与这种趋势对齐。我们看到40nm和55nm成为这些低功耗无线解决方案的热门工艺节点。

“这些技术节点上有许多无线接入技术。 “40纳米工艺节点通常可用于蓝牙低功耗IP中,您仍然可以通过数字功能与合理的模拟库以及合理选择的射频器件进行良好的折衷,”Miller说。 “对于某些协议,您可能必须转向180nm才能为RF提供更高的电压或更高的功率。你不会用7nm finFET做到这一点。这取决于应用。如果你正在做图像处理,音频或机器学习,那么你可能需要去采用一个较小的工艺节点,并可能在封装中有多个芯片。“
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各种边缘计算技术对比

另一个决定是购买IP的类型。虽然无线电部分本身可能是硬宏,但数字电路提供了更大的灵活性。 “有PHY(物理层)部分,还有基带部分,可以将模拟转换为数字。然后是MAC(Media Access Control)组件,它为分组重传和分片重组做了工作,“Wentworth解释说。 “使用先进的综合技术可以让我们以更少的资金更快地移动。它还可以添加诸如加密之类的东西。

“安全正成为一个更大的问题。 Lowman说:“很多设备都被黑了,因为根本没有安全措施。 “这通常是因为软件的复杂性,或者他们只是不想花时间去做。今天所有的无线技术都有安全选项。如果要他们打开和使用这是一个问题。我们有可选的硬件加速功能可以添加到我们的无线解决方案中。通常情况下,我们看到他们没有采用它,但他们开始提出更多问题,例如芯片上具有加速器的能力。较新的芯片组更有可能添加这些。它可以通过多种方式完成。您不必添加加速器。你可以用软件来完成。您可以使用内置在SoC中的简单加密或完全可信的执行环境。

“然而,这需要付出代价。 “通信需要更高的安全性需要更长的密钥和更好的加密方案,”Fraunhofer工程自适应系统部门设计方法部门主管Roland Jancke指出。 “这与移动设备对低功耗的需求相矛盾。影响合适协议选择的其他参数包括延迟时间,直到建立通信链路,检测并纠正传输失败以及抵御其他无线电业务的干扰。

“最终,你必须分析威胁级别并评估需求,并根据芯片的大小或功耗来查看他们可以承受的费用,”Lowman总结说。

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