《万物互联》——2.5 审视无线技术

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《万物互联》——2.5 审视无线技术

异步社区 2017-05-02 16:03:00 浏览1444
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本节书摘来异步社区《万物互联》一书中的第2章,第2.5节,作者:【美】 Michael Miller(米勒),更多章节内容可以访问云栖社区“异步社区”公众号查看

2.5 审视无线技术

在一个严格的有线网络中,设备是通过以太网卡连接到路由器的。如果网络是无线的,路由器内就包含一个小的无线发射器来传送和接收所有联网设备的无线信号。

今天有好几种无线技术在使用。所有发送和接收的信号(为射频信号)都是有一个特定频率的。这些和用在AM或者FM收音机中的频率是类似的;最大的区别就是AM/FM只接收信号,而无线网络设备中发送和接收均可被处理。

2.5.1 理解射频技术

射频技术(Radio Frequency,RF)是怎么工作的呢?所有的一切都是单一的无线电波,这也就是一个电磁能量的脉冲。当一个发射机在一个特定的频率震荡时就产生了无线电波。震动得越快,频率就越高。还可以使用天线来放大和广播长距离的无线信号。

为了接收无线信号,你需要无线接收器。接收器需要调制到特定的频率才能接收该频率的信号。如果接收器没有调制到那个频率,无线信号通过后就不会被接收。

注意

当我们讨论家庭网络、互联网和物联网的时候,在每个上网设备中的无线部件都是同时具有发射和接收功能的。
射频信号发射的其实是一个很宽的频率范围。频率是用每秒的周期数来表示的。例如,93.5MHz是每秒震动93500000个周期。(MHz代表每秒100万次;GHz代表每秒10亿次。)

当前的无线网络使用两个不同的射频频率。早期的设备使用2.4GHz的频段(频率从2.4GHz到2.48GHz),而较新的设备使用5GHz频段(频率从5.15GHz到5.85GHz)。

2.4GHz频段是任何人为了任何目的都可以开放地使用的。这既好,也不好,说好是因为可以无成本地使用它(没有潜在的授权使用费用),说不好,是因为这个频段内的空间是有限的,而其他几种设备也用这个频段。

注意

2.4GHz频段也叫做ISM频段,即仪器、科研和医疗使用的频段。
现在,2.4GHz频段被广泛使用在802.11Wi-Fi网络、蓝牙、新型无绳电话、新型婴儿监护器和车库开门器、微波炉、城市和郊区无线通信系统(包括许多应急通信电台)中,以及在西班牙、法国和日本的政府通信中。

5GHz的频段相对而言使用得较少,而且有较宽的频段——即更多的频率可以使用。(提示一下,它从5.15GHz到5.85GHz。)有些无绳电话用这个频段,但还不太多,所以频率竞争还不太厉害。和2.4GHz频段一样,5GHz也是一个没有管制的频段,这意味着任何设备都可以自由使用它——而这对于物联网很重要。

2.5.2 Wi-Fi

今天大多数家庭、商业和公共的无线网络使用Wi-Fi协议。Wi-Fi是IEEE802.11无线网络标准的商品名。今天大多数的无线网络在技术上都是Wi-Fi网络,并使用Wi-Fi认证的产品。

注意

IEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineers),即电气电子工程师协会,它的主要任务是评估不同的技术标准。对于Wi-Fi而言,其技术是由一个叫做Wi-Fi联盟的分工作组负责的。详情参见Wi-Fi联盟的网站(www.wi-fi.org)。
但是,问题来了。Wi-Fi协议并不是唯一的。相反地,存在多个802.11协议,每个都用一个或两个字母做后缀。不同版本的Wi-Fi提供不同的性能;最新的版本802.11ac,采用较少被使用的5GHz频段(但是与较早的运行在2.4GHz频段的设备向后兼容),具有足以覆盖一所相当大的房子的能力。

Wi-Fi网络实现了传统网络的中心辐射模式配置。每个具有Wi-Fi的设备连接到中心集线器或路由器上,并且通过路由器,与其他同样连接到路由器上的设备连接。起居室的笔记本电脑并不是直接连接到卧室的流媒体服务器上的;信号其实是先从一个设备到达集线器再被路由到其他的设备的。如果你有十多个无线设备连接到你的Wi-Fi网络,就意味着有十来个设备连接到路由器上。

这些设备中的每一个都必须手工设置以连接到网络,一般都会需要一点无线加密技术。有很多必要的初始设置,不过后续的连接可以是自动的。也就是说,每个Wi-Fi设备都必须在首次连接的时候手工连接到网络。如果在你的生存空间里有100个小物联网设备,利用Wi-Fi来连接它们就显得不那么切实可行了。

这就是说,既然现在Wi-Fi已经无处不在,物联网设备使用Wi-Fi技术应该是很方便的。而且当前的很多设备也的确这么做。举个例子,如果你的起居室里有一台智能电视机,它就和当今的其他设备一样,是通过Wi-Fi连接到互联网的。

的确还很难说Wi-Fi是否是搭建全球物联网连接的最佳解决方案。从这一点而言,也许别的无线协议更适合处理小传感器设备之间的连接;这些小设备也许是先连接到一个主控设备,然后由该主控设备再通过Wi-Fi连接到互联网或某种服务。

2.5.3 蓝牙和蓝牙智能

当讨论到近距离设备间的无线通信的时候,蓝牙是一个有趣的选择。蓝牙与Wi-Fi很相似,都是采取2.4GHz频率的射频传输。区别在于,蓝牙不是为了中心辐射模式的网络连接设计的。相反,它是为了使设备之间直接通信而准备的,这种网络称为对等网络(皮网),这也是很多人预测的物联网设备最终工作模式。

今天,蓝牙已经应用于各种设备之间的短程连接,比如你的智能手机和汽车的音响系统,或者连接到你的台式电脑的无线鼠标。蓝牙不是一种可以长距离传输大数据包的技术,在这个领域,Wi-Fi仍然是最好的。

蓝牙无线模块是非常小的,比Wi-Fi小得多,这使得该技术非常适合物联网传感器的小型化。它们的能耗非常小,这也很符合物联网的需求。

当一个蓝牙设备感知到另一个蓝牙设备(在9米范围内),它们自动建立彼此之间的连接——当然,需要手工完成首次的配置。这种连接叫做皮网,是一种特定的迷你网络,即个人域网络(personal area network,PAN)。

在一个皮网中,一个蓝牙设备充当主设备,同时,其他设备(总数最多为8个)充当从设备。主设备控制通信,包括设备之间的任何必要的数据传输。每个皮网可以包含8个不同的设备。

这就是说,在短距离里,一个类似智能手机的设备可以连接、同步甚至控制在你家中、办公室和车里的其他电子设备——比如个人电脑、打印机、电视机、家用报警系统或者车载音响。所有这种通信都在不知不觉中完全自动地以一种临时搭建的方式建立。

现在它是这样工作的。假设你有一个智能手机,其中包含你的通信录。你需要将这个包含电话号码的通信录同步到你的车载拨号系统中。为此,你只需要把你的智能手机带入的汽车。当你足够近(而且你的车也接通了电源),你的手机会自动通过蓝牙连接车载系统,然后自动在你的手机和车载系统之间同步你的通信录数据。这样你就可以通过汽车的仪表盘拨通电话了——所有的通信是通过蓝牙连接的,无需手动干预。

如果这听起来还是不够适合物联网的话,还有蓝牙智能,一种特别为物联网开发的蓝牙技术变体。蓝牙智能是蓝牙技术的一个版本,而且耗电量比传统蓝牙小得多。这种电能效率使得蓝牙无线连接非常适用于那些只能靠一个纽扣电池驱动的设备。

另外,蓝牙智能的操作可以被主机应用配置。一个蓝牙智能设备经优化后可以覆盖60米的范围,而不是蓝牙标准的9米范围——对于需要长距离的家庭传感器非常合适。很显然,扩展范围需要更多的电能,所以不需要那么大范围的设备可以被配置为使用更少的电能。这种可以根据每个应用的需要来配置的方式非常适合物联网。

2.5.4 蜂窝网络

某些物联网连接将利用蜂窝网络——也就是你的移动电话的网络。例如,一台智能汽车中的设备与家庭网络或者汽车销售商之间可能就是以拨打电话的方式来通信。这种方式快速、简单,也可以利用随处可见的已有技术。

蜂窝技术的工作方式和Wi-Fi或者蓝牙有一点不同。当蜂窝信号载有语音、短信和数字信号并通过无线电波传递的时候,这种信息不是通过在一个小规模的设备网络的中心集线器传输的(比如Wi-Fi),甚至也不是在设备之间直接传输的(比如蓝牙),而是通过一个全球的发送和接收网络来进行的。

这种传输/接收塔的网络是按照蜂窝的模式建设的。(因此有“蜂窝网络”和“蜂窝电话”的说法。)也就是说,一个移动电话网络被分割成千百个互相重叠的地理区域,即蜂窝。一个典型的蜂窝网络可以被视作一个由六角形蜂窝组成的网,如图2.6所示,每个蜂窝中心都有其基站。蜂窝的边缘稍微重叠以保证用户一直保持在基站的范围内。(你当然不希望在基站之间开车的时候电话掉线。)

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注意

蜂窝网络中的蜂窝尺寸是不一致的,根据一个地理区域内要容纳的蜂窝数量而定。最小的蜂窝,可能只覆盖城市中的几个社区,但是那里有最密集的人口密度,也需要最多的服务。最大的蜂窝通常是覆盖郊区的,那里单位面积的人口很少。
每个组蜂窝中心的基站在那些蜂窝中扮演集线器的角色——不是为整个网络扮演这样的角色,而是只为网络中的每一块。每个手机发射的射频信号被基站收到,然后从基站传递给某个手机。发射与接收通过两个稍有差别的频段进行。

基站彼此通过中心交换机连接。当呼叫者在蜂窝之间移动的时候,中心交换机追踪呼叫者并将其从一个基站转移到另一个基站,而且(理想而言)这个转换是无缝的,也不会被注意到。每个基站同时都与主电话网络连接,从而可以把移动电话与固话对接。

由于其强大的远程数据传输能力,蜂窝网络应该在物联网中占有一席之地。蜂窝连接可能并不适合近距离的两个设备之间的连接(比如在汽车内),但可能是主控设备和一个远端的物联网集线器之间的首选连接。

2.5.5 MESH网络

数以亿万计的新设备加入物联网,它们所连接的网络将变得越来越拥挤,导致那些网络——以及广义上的互联网——无法处理增长后的数据流。这促使很多公司开发他们自己特定的物联网网络。

一个选择是使用某种特别定制的、小范围的无线网络,使得设备可以一个个地彼此直接连接,就像在接力赛中运动员传递接力棒那样。这种所谓的MESH网络,可以完成无线信号在设备之间的自动转发。

一个MESH网络是传统的中心网络的对立面。传统的网络将所有的设备连接到一个中心服务器或集线器上,而一个MESH网络理论上可以把设备一个个地从城市的一端连接到另一端,如图2.7所示。MESH网络中的每个设备可能只能覆盖9~90米的范围,但是当它们端到端地连接起来的时候,就可以覆盖一个广阔的区域。

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一个MESH网络可以包含连接在一起的几千台设备个体。因为在MESH网络中是多路由的,个别设备的失效不会导致整个网络的失效,信号最终将利用和其他设备的连接找到一个新的路径。

已经有几种针对物联网的MESH协议在开发中。这些协议的开发者包括INSTEON、Z-Wave联盟、Zigbee联盟等。INSTEON和Z-Wave协议是专有的,而Zigbee提供认证机制以确保符合其标准。现在,基于不同协议的网络还不能互操作,但是用集线器来连接两个MESH网络是可行的。

2.5.6 专有蜂窝网络
还有一些公司在开发他们自己的专有物联网无线技术。与刚才讲过的MESH类似,这些机器对机器(M2M)网络是用于连接小型设备的,而不是连接人或者电脑的。通过将M2M通信的负载转移到这些网络上,当前的互联网将保持其主带宽的有效运行。

也许这场戏中目前最引人注目的角色是一家法国公司——Sigfox,基于第一次世界大战期间潜水艇之间在水下通信的无线电技术,开发出了一个自己的版本。这种技术使得非常小的数据量(比如莫尔斯电码)可以长距离传输。该技术采用900MHz频率范围,这和现在的一些无绳电话和婴儿监护器一样。

Sigfox正在用这个技术建立一个专有的低功耗、低带宽的蜂窝网络,用于物联网设备中常见的短数据传输。这个网络并不是最快的,只能以100bit/s的速率传输小数据,但是典型的传感器数据不需要比这更快的速率了。以一个交通传感器或者水表所收集和传送的数据为例,这种设备通常只是间歇地传送很少的数据分组。速度并不重要。

真正重要的是如何连接这些众多的小设备。Sigfox采取了以速度换网络容量的策略,为此,它的网络可以支持上百万的连接。

另外,通过使用900MHz频段而不是现在那些用于移动运营商的更高的频段,Sigfox可以使它的信号塔的分布间隔远大于通常的蜂窝网络。甚至更好的是,它是一个低功耗解决方案,它传送一个数据分组所花费的能量也比通常的蜂窝信号少很多。

这个公司目前正在英国、荷兰、俄罗斯和西班牙建立网络,而它在美国的第一个网络建在旧金山。目前Sigfox主要关注工业网络。在西班牙,它利用自己的网络连接了几百万个家庭安防系统。在法国,Sigfox的网络被用来连接水表、电子广告牌以及老年人的监护设备。

注意

有趣的是,Sigfox的低功耗网络的建设费用也是相对廉价的。这个公司的西班牙网络只花费了不到1900万美元,用了7个月就建成了。
Sigfox并不是唯一的投资于专有网络技术的公司。举个例子,Link Lab为公众和私人公司建立了长距离M2M网络;On-Ramp Wireless为油田运营者建立了客户定制的网络;Iotera建立了一个用于追踪宠物和孩子的全球定位系统(GPS)网络。

2.5.7 什么是最好的技术

并不是所有人都同意应该为物联网建立一个独立的网络。有些人把发展专有网络视作不必要和效率低下的,认为也许这反而会妨碍物联网的发展。如果相互竞争的专有网络或者地域性网络发展起来,跨网络的兼容性将成为一个问题,我们也许最终遇到类似今天的美国的蜂窝网络的那种碎片化的市场。

有些人认为,当今已有的“三大”无线技术已经足够承担物联网的需要了。蜂窝技术可以用于广域网络,Wi-Fi技术用在局域网,蓝牙用在个人网络中。对于开发物联网设备的公司,利用现存的技术是相对简单的——可能比新出现的、没那么广泛的网络技术要容易得多。

实际上,并没有什么可以阻止各公司开发他们自己的针对较大的智能设备和地域的专有连接解决方案。你车里的传感器是采用蓝牙、Sigfox还是什么新型的MESH网络技术有什么大不了的么?最后你真正关心的是它们的确是可以彼此连通的,并且把它们的信息从汽车发送到家里、经销商或者其他地方,且采用的是你方便使用的技术。

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