大规模物联网互操作为协议之争火上加油

无线标准有很多，但大多数都无法扩展到智能城市的水平。

因此，这样的网络是使用专有堆栈逐个应用程序构建的，通常具有不可互操作的网络层。这反过来又减缓了密集无线连接大规模扩散的速度。

Cadence解决方案和生态系统高级集团总监Frank Schirrmeister表示:“在一个超连接的世界里，连接的选择是由用例驱动的。“我们发现这些用例的需求在不断变化，从一端需要低功耗、低吞吐量的智能电表和资产管理，到另一端需要高带宽、低延迟的公共安全和患者监控。”

这对通信技术的选择产生了重大影响。“当我们谈论智能城市时，你不能说，‘嘿，我正在自己的网络上开发一个应用程序，但它只针对我们，’”Silicon Labs智能城市营销总监阿比吉特·格雷瓦尔(Abhjit Grewal)说。“对于单个应用程序来说，能够扩展网络的唯一方法是网络层是可互操作的。”

持续的努力导致了一种新的协议在大规模物联网部署中争夺主导地位。它的设计既可以大规模运行，也可以允许多个应用程序在一个基于ip的网络上进行互操作。这为在城市环境和其他需要数以万计或更高节点的空间中更顺利地开发高效无线机器通信创造了机会。

但是，不管协议如何，这个机会并没有转化为兴奋，甚至没有在半导体世界产生多少新的硅。这引发了一个问题:物联网市场对硬件制造商的吸引力有多大?

物联网的大规模需求未得到满足
适合户外使用的无线协议并不缺乏。然而，它们中的大多数无法处理大规模部署，因为节点和流量的全部补充可能会使它们陷入困境。

Wi-SUN联盟总裁兼首席执行官菲尔·比彻(Phil Beecher)表示:“Zigbee Smart Energy和Thread等适用于几百台设备。“但我们看到，每个边境路由器连接到回程网络的设备可能多达4000台。”

Grewal同意这代表了一种未被满足的需求。“大多数技术栈都不是针对智慧城市网络的，”他说。“这些堆栈都不会支持数百、数千甚至数百万个节点。”

Wi-SUN联盟指出，目前有许多公司在这一应用程序中提供专有技术。它们包括Arch Rock(思科的一部分)、Elster、Itron、Landis+Gyr和Silver Springs Networks(现在是Itron的一部分)。他们的方法据说是相似的，但他们是不可互操作的。

此外，Silicon Labs还参与了一些项目，这些项目并非属于网络公司，而是属于客户。“我们的大多数智能城市解决方案都是专有的，这意味着客户使用我们的无线电，然后在此基础上编写自己的技术或协议栈，”Grewal说。

与此同时，LoRaWAN等技术针对的是低带宽应用。总体而言，智能城市应用程序需要传输的数据远远超过这样一个网络所能处理的数据。

在这样的环境中，最理想的情况是，至少能够基于一些众所周知的东西(如IP)使用共享网络，然后让它为所部署的所有应用程序承载流量。到传输层的堆栈在多个应用程序中是通用的。

Grewal说:“人孔探测器或停车计时器的应用需求将与电表或路灯的应用需求非常不同，但它们需要共享同一个网络。”

这种情况促使许多公司联合起来开发一种名为Wi-SUN的新协议栈。它以IPv6网络为中心，这将允许来自其他同样基于ip的网络的流量轻松互操作。堆栈是通过传输层定义的。除此之外，应用程序编写人员可以自由地做对他们的应用程序最有意义的事情。

对Wi-SUN规范中所做选择的进一步研究有助于说明这类部署的挑战。

图1:简化的Wi-SUN堆栈。单个协议允许为不同应用程序提供多个配置文件。它们都是可互操作的。来源:Wi-SUN联盟

针对大规模部署进行修改
虽然从概念上讲，围绕基于ip的网络可能很容易团结起来，但为了使事情在大规模上顺利运行，仍然有许多问题需要解决。“802 15.4g是基础无线电技术，”比彻说。“然后我们从IETF中获得了一些ipv6类型的标准，包括路由层和安全标准，我们将所有这些标准集成到一个单一的规范中。”

第一个架构项目是Wi-SUN定义了一个网状网络。这就是它与其他一些替代方案的区别。Schirrmeister指出:“与LoRaWAN和NB-IoT使用的更典型的星形结构相比，Wi-SUN的网状网络结构在连接决策中发挥着重要作用。”

在智能城市中，一些节点可能由电池供电，而其他节点将由线路供电。Wi-SUN通过两种节点解决了这个问题。线路供电节点充当始终在线的锚节点，其中一些充当通往其他网络的网关。电池供电的节点有一个占空比，按照自己的时间表上电，并作为叶节点连接到相邻的线路供电节点。

图2:Wi-SUN网状网络。蓝色箭头表示线路供电节点之间的链接。灰色箭头显示到电池驱动的叶节点的链接。来源:Wi-SUN联盟

叶节点必须在线路供电节点可及的范围内，这听起来像是一个限制性的网络设计要求。但Wi-SUN联盟指出，它与标准的蜂窝网络没有什么不同，在标准的蜂窝网络中，电池供电的手机只有在电话线供电的基站范围内才能连接。

事实上，他们说它在某种程度上比细胞系统更强大。一部手机一次只能连接到一个信号塔。使用Wi-SUN，可以有多个塔参与从位于地理上具有挑战性的位置的叶节点到叶节点的数据传输。

Wi-SUN有两个基本版本，它们定义了一个更小的家庭区域网络(HAN)和一个更大的现场区域网络(FAN)。HAN实现要简单得多，涉及的选项更少。下面的大部分讨论都适用于FAN安装，因为它们有家庭没有的大规模向外扩展问题。

低级的选项
Wi-SUN PHY层基于驱动Zigbee和其他协议的相同802.15.4标准，但它针对Wi-SUN进行了修改，产生了802.15.4g。美国的频段是900兆赫。比彻说:“这将为你带来更大的范围和更好的性能。

比彻指出了这种频率选择的一个缺点。他说:“亚千兆赫频段的问题在于，全球没有单一的频段可用。”因此，他们在全球范围内规划了一些渠道选项，以减少可能的变体数量。

根据FAN中给定节点所需的带宽，有许多调制选项。(HANs只有一个PHY选项。)将来可能会添加更多选项，但它们必须与网络上的现有节点向后兼容。

调制可以动态调整，因为可用带宽由于无线链路的退化或改进而改变——所谓的“换挡”。这意味着调制方案的选择不必对所有情况都是静态的，甚至对于给定的节点也是如此。

fan采用了跳频，以更有效地利用频谱，帮助解决多路径衰落问题，并通过使其更难以干扰或黑客来提高安全性。Beecher指出:“如果你确实在一个大的地理区域内运行信号，你就会想要优化频谱的使用，尽量减少碰撞。”

每个设备都有一个伪随机跳频序列，尽管有问题的通道可以被列入黑名单并跳过。该黑名单是动态的，因此如果情况改善，一个频道可以从黑名单中删除。比彻说:“如果你有很多建筑物的反射，就会导致覆盖范围出现很大的缺口。”“如果你能动态改变频率，就能避免这种情况。”

虽然这些网络大部分将存在于城市环境中，但也有一些将迁移到农村地区。但是，根据定义，这些网络(或网络的一部分)将具有较低的节点密度，从而可以使用较低带宽的链路——这将具有较长的范围。

Grewal说:“当你越来越多地进入农村地区时，你可能不会使用OFDM来获得更高的吞吐量，但你可能会使用FSK或OQPSK，这可以提供更长的传输范围。”“但农村地区不需要同等水平的负荷管理，与城市地区相比，电网管理变得相对容易。”

图3:Wi-SUN与WAN连接的交互以及可能用例的说明(沿着底部)。来源:Wi-SUN联盟

路由和安全
在使用IP进行路由时，算法已被修改为使用所谓的ROLL路由-在低功耗和损耗网络上路由。这是一种新的路由协议的一部分，称为低功耗和损耗网络的IPv6路由协议，或RPL。IETF认为这是必要的，因为当考虑到损失响应、路由状态、控制成本、链路成本和节点成本时，对现有的具有挑战性通道的路由协议进行审查时，没有一个协议是足够的。

“这与他们在Smart-Energy剖面中使用的非常相似，”Beecher观察到。“但参数已经调整，允许你将数千台设备连接到一个边界路由器上。”

安全性也得到了改善，利用了类似于企业WiFi的EAP TLS。EAP，或“扩展身份验证协议”，允许使用X.509证书。“我们在所有设备上都使用基于证书的身份验证，”比彻说。“当设备进行身份验证时，这与企业WiFi的工作方式非常相似。”

据说，光是这种安全级别就引起了人们的注意。“人们对Wi-SUN的兴趣很大，主要是因为其安全性得到了增强，”Grewal观察到。

图4:Wi-SUN堆栈的详细视图。来源:Wi-SUN联盟

带动市场
从供应的角度来看，选择的数量似乎会创造出一个复杂的设备组合。例如，叶节点将只使用低功率PHY模式，而线路供电节点必须能够与可能使用任何PHY选项的任何其他节点通信。

事实上，Wi-SUN联盟表示，在不增加复杂性或成本的情况下，可以轻松创建多模式实现。他们希望这种方法能占主导地位，简化组件的选择。

与此同时，FAN认证在几年前就开始了，来自近20家供应商的大约45台设备已经获得了认证。比彻说:“当我们给出一个认证标志时，它就告诉客户，它将能够与其他认证设备在同一网络上互操作。”

至于当这项技术在已经具备一些智能城市能力的地区推广时会发生什么，这可能不是一次重启。Grewal说:“目前北美有相当多的网络都支持wi - sun。“这意味着你可以进行空中更新，使它们具有FAN 1.0或FAN 1.1互操作性。”

这会对半导体领域产生影响吗?
尽管取得了这些进展，但Wi-SUN似乎对更广泛的半导体生态系统的影响微乎其微。你可能希望了解新协议的许多公司对Wi-SUN并不熟悉。这可能至少在一定程度上是因为人们对物联网领域的兴趣普遍不高。

Synopsys的员工产品营销经理Priyank Shukla表示:“物联网还没有出现像超大规模数据中心或汽车那样多的新设计。“所以这就是为什么你会发现IP供应商不那么专注于物联网。硬件供应商很难赚钱。”

这里的想法是，物联网的大部分机会来自于服务和更高级别的基于云的功能，而不是底层硬件。

消费物联网可能尤其如此，但工业物联网应用也没有吸引硬件初创公司的大量投资。一些人认为这个领域是一个封闭的生态系统，存在着根深蒂固的玩家，这使得新进入者很难进入市场。

Shukla说:“每当大型工业控制公司有新的需求时，他们不会为此投资2000万美元的初创公司。”“他们只会把这个要求交给ADI或TI，而这些公司将根据自己的情况提供自己的解决方案。”

尽管如此，基于整体机遇，物联网催生了许多协议的专用变体。当谈到谁将拥有网络层时，Schirrmeister指出了市政和工业设施的广泛候选。

他说:“大规模物联网、宽带物联网和关键物联网等不同的集群正在出现，LoRaWan、NB-IoT、LTE-M、LPWA、Wi-SUN以及5G的变体，如5G- nr - lite，都是网络和传输层的候选。”

虽然目前的重点是网络，但他也在关注应用层。“就像智能家居领域的‘Matter’一样，是否会出现一个统一的应用层，将所有数据呈现给生态系统和云端，这将是非常有趣的。”

Wi-SUN并没有尝试这样做——这一事实被作为一项功能进行营销。随着独立于连接协议的标准配置文件的出现，应用层标准化在未来可能是可行的。然而，在这一点上，在单个网络上收敛被视为解决了当前的瓶颈，而不会在应用程序级别强加需求。问题只是这个网络将是Wi-SUN的还是其他版本的。