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摘要 將來當(dāng)計算機(jī)和通信設(shè)備遍布所有地方時，通信不僅是人—人和人—機(jī)之間，而且還包括機(jī)—機(jī)(M2M)之間的通信。在未來某一天，由機(jī)器產(chǎn)生的流量將大大超過人—機(jī)應(yīng)用和人—人應(yīng)用產(chǎn)生的流量。大量M2M應(yīng)用需要用各種無線網(wǎng)絡(luò)來支撐。本文旨在介紹迄今可用于機(jī)對機(jī)應(yīng)用的各種無線網(wǎng)的特點(diǎn)和優(yōu)劣，包括WiFi、藍(lán)牙、ZigBee、無源RFID和802.15標(biāo)準(zhǔn)。
關(guān)鍵詞 無線 網(wǎng)絡(luò) 機(jī)對機(jī) 應(yīng)用
1、引言
將來，更為重大的發(fā)展也許不再是現(xiàn)今互聯(lián)網(wǎng)上的PC和移動網(wǎng)上的手機(jī)，而是具有通信性能的其他設(shè)備。能夠上網(wǎng)的設(shè)備或器具將比現(xiàn)在廣泛得多，包括從電視機(jī)到MP3播放機(jī)，再到電子報刊、智能大樓，甚至于電冰箱等家電，它們?nèi)缤ヂ?lián)網(wǎng)上的計算機(jī)一樣工作，形成機(jī)對機(jī)(M2M)的通信方式。隨著射頻標(biāo)識(RFID)和傳感器的大量使用以及網(wǎng)格計算的應(yīng)用，目前尚處于早期階段的機(jī)對機(jī)應(yīng)用將逐漸趨于成熟。在未來某一天，由機(jī)器產(chǎn)生的流量將超過人—機(jī)應(yīng)用和人—人應(yīng)用產(chǎn)生的流量，甚至可能占據(jù)全部流量的絕大部分(目前所占百分比很小)。
機(jī)對機(jī)應(yīng)用意味著在傳統(tǒng)上不聯(lián)網(wǎng)的設(shè)備或器具(例如空調(diào)機(jī)、安全系統(tǒng)和電梯等)之間傳送遙測、遙控信號。M2M不僅僅是并行處理，而是分布式計算的使能器。它能使一個家庭變成一臺超級計算機(jī)，在所有的家庭用具內(nèi)都裝有嵌入式的處理器。
在企業(yè)中M2M有兩種初期應(yīng)用：監(jiān)視和控制。監(jiān)視應(yīng)用包括資產(chǎn)跟蹤、庫存管理和供應(yīng)鏈自動化。一家制造商可以使用RFID標(biāo)記來跟蹤產(chǎn)品部件在廠內(nèi)的流動情況，或者對倉庫內(nèi)箱子進(jìn)行定位。在這種應(yīng)用中的數(shù)據(jù)傳送是嚴(yán)格單向的，不需要傳送任何響應(yīng)信號�？刂茟�(yīng)用比較復(fù)雜，需要基于多個來源的輸入做出決定，再把決定回送出去。例如，一個分布式溫度傳感器網(wǎng)絡(luò)可以控制一個取暖系統(tǒng)，節(jié)省開支。運(yùn)動傳感器可以檢測到有人走向電梯，然后為此人調(diào)用電梯，可以節(jié)省時間。這種利用無線的大樓自動化將變得更加成本有效。
為了促進(jìn)機(jī)對機(jī)應(yīng)用的發(fā)展，需要給所有移動物體賦予無線通信功能，給所有難以安裝固定線路的地方賦予無線通信功能，給所有執(zhí)行命令、驗證和控制功能的器具(包括用戶隨身配件)賦予無線通信功能。顯然，當(dāng)單芯片無線電便宜得足以附著于幾乎所有東西時，我們就需要考慮用相應(yīng)的無線技術(shù)來形成新的網(wǎng)絡(luò)，這些網(wǎng)絡(luò)把人完全排斥在外，而把各種電氣用具，甚至把類似雜志這樣的惰性物體連接在一起。只要在無線覆蓋范圍內(nèi)，就可以形成M2M的連接。但是用什么無線網(wǎng)來實現(xiàn)M2M連接是一個困難的技術(shù)選擇問題。本文主要介紹在企業(yè)中實現(xiàn)M2M連接時可以選用的幾種無線技術(shù)。
2、WiFi
WiFi現(xiàn)在是一種用得較多的無線技術(shù)。除了在筆記本電腦中，目前在許多網(wǎng)絡(luò)設(shè)備(Cisco的所有路由器和交換機(jī))中也增加了處理802.11協(xié)議的能力，就像處理以太網(wǎng)和IP一樣方便。
由于WiFi在企業(yè)中已經(jīng)非常普遍，故自然會考慮選用它來提供M2M連接。目前，諸如Airespace、Trapeze Networks等無線交換機(jī)廠商，已經(jīng)推出能夠?qū)崟r跟蹤器具的軟件。Intel出資的新興公司Bluesoft甚至已經(jīng)在銷售基于802.11b的RFID標(biāo)記，一片小小的用電池供電的網(wǎng)絡(luò)接口卡。
把WiFi用于M2M連接的主要優(yōu)點(diǎn)是使用現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)、速率高(WiFi的速率大大超過處理遙測所需的數(shù)據(jù)量)、前后兼容性好。還有一個好處是可以把語音、遙測和RFID融合在一起，一網(wǎng)多用可以簡化管理、降低成本、減少干擾。
使用WiFi的缺點(diǎn)包括功耗大、成本高、協(xié)議開銷大、需要接入點(diǎn)。目前在一個器具上增加WiFi至少需要15美元。Bluesoft標(biāo)記的價格是65美元。雖然成本還會下降，但近期仍只能用于跟蹤價值較高的資產(chǎn)。一個倉庫可能只會把Bluesoft標(biāo)記用于它的鏟車，而不會用于鏟車搬動的箱子。WiFi是一個無中繼轉(zhuǎn)發(fā)能力的單跳網(wǎng)，器具只能連接到接入點(diǎn)(AP)。AP之間的連接、AP與其它網(wǎng)絡(luò)的連接往往通過常規(guī)的有線以太網(wǎng)。如果已經(jīng)用于其它以太網(wǎng)業(yè)務(wù)的同一布線再用作WiFi回傳，就需要進(jìn)行認(rèn)證或把WiFi無線數(shù)據(jù)包隔離開。要不，你就不得不安裝新的纜線和交換機(jī)。
現(xiàn)在，許多新興公司正在推進(jìn)WiFi網(wǎng)狀網(wǎng)，其內(nèi)AP被用作路由器，彼此自動發(fā)現(xiàn)，可經(jīng)過幾跳轉(zhuǎn)發(fā)業(yè)務(wù)。但網(wǎng)狀網(wǎng)結(jié)構(gòu)主要設(shè)計用于室外，在AP之間要求視距，使它們更適用于服務(wù)提供商，而不是企業(yè)。目前也有兩家公司生產(chǎn)樓內(nèi)使用的網(wǎng)狀網(wǎng)系統(tǒng)。這兩家公司是Strix Systems和Firetide，它們使用自己專有的AP連接協(xié)議，但方法有所不同。Strix的AP包括分開的用于網(wǎng)狀網(wǎng)協(xié)議和用于802.11的無線電設(shè)備，而Firetide的專門設(shè)備只支持它自己的協(xié)議。所以，Strix方案更適用于新的網(wǎng)絡(luò)，F(xiàn)iretide的方案比較適用于已經(jīng)有標(biāo)準(zhǔn)化AP的企業(yè)。還有一些其它廠商也打算提供WiFi網(wǎng)狀網(wǎng)系統(tǒng)，但短期內(nèi)它們的系統(tǒng)不可能實現(xiàn)互操作，因為至今連互操作標(biāo)準(zhǔn)的建議草案都沒有，預(yù)計在2007年之前不可能推出互操作標(biāo)準(zhǔn)。
3、藍(lán)牙
藍(lán)牙技術(shù)在成本和耗電上勝過WiFi，從表面看它似乎沒取得太多成功，但實際上內(nèi)裝藍(lán)牙的器件幾乎已是WiFi的兩倍之多。目前，它們大多數(shù)用在移動電話和消費(fèi)類電器上。但同時含有WiFi和藍(lán)牙的筆記本電腦和PDA正在為新的企業(yè)應(yīng)用打開方便之門。藍(lán)牙最初是瞄準(zhǔn)語音的，但由于它功耗低以及比較安全，所以用于遙測也應(yīng)該是比較理想的，藍(lán)牙傳感器的市場預(yù)期會很大。
然而，藍(lán)牙不是一種組網(wǎng)技術(shù)，它只能連接8個器件，通信距離也短。這些限制意味著只有當(dāng)與其它無線技術(shù)配合使用時，藍(lán)牙才更加有用。在移動網(wǎng)中，藍(lán)牙可以轉(zhuǎn)發(fā)來自頭戴耳機(jī)的語音、來自筆記本電腦VPN業(yè)務(wù)、來自汽車的導(dǎo)航數(shù)據(jù)。在局域網(wǎng)中，則可通過WiFi來轉(zhuǎn)發(fā)遙測信號。
舉一個例子，Cisco雖然自己不生產(chǎn)藍(lán)牙設(shè)備，但它正在推進(jìn)這種系統(tǒng)在醫(yī)院的應(yīng)用。病人戴著裝有藍(lán)牙的小設(shè)備，它能夠監(jiān)測脈搏、血壓和其它重要數(shù)據(jù)，護(hù)士則帶著裝有WiFi和藍(lán)牙的PDA。無論何時，當(dāng)護(hù)士檢查某病人時，PDA就自動下載來自監(jiān)測設(shè)備的數(shù)據(jù)，并把數(shù)據(jù)送到醫(yī)院的WiFi網(wǎng)。病人用的小設(shè)備不能直接把數(shù)據(jù)送到WiFi網(wǎng)，因為WiFi需要太多的電池功率，而且與敏感的醫(yī)療設(shè)備容易產(chǎn)生干擾。
從長遠(yuǎn)看，藍(lán)牙可能被超寬帶(UWB)技術(shù)取代。UWB是一種能夠提供高速率低功耗的無線電新技術(shù)。但在短期內(nèi)，UWB面臨許多技術(shù)問題和政策問題。2004年2月，802.15工作組的UWB標(biāo)準(zhǔn)化工作陷入了僵局，對來自Intel和Motorola的不同建議難以做出決定。而Intel采取了分道揚(yáng)鑣的做法，另立門戶成立了多頻段OFDM聯(lián)盟(MBOA)，繼續(xù)制定它自己的規(guī)范，然后再提交給IEEE批準(zhǔn)。估計到2004年末將形成事實上標(biāo)準(zhǔn)，2005年中期推出首批產(chǎn)品。
但即便UWB面世，它也不可能馬上取代藍(lán)牙，因為藍(lán)牙已經(jīng)存在多年，在成本上UWB無法與它競爭。故UWB早期的主要應(yīng)用估計只是作為一個480Mbit/s無線USB端口，用來連接PC與外圍設(shè)備(如打印機(jī)或顯示器等)，要取代藍(lán)牙大約還要等5到10年。鑒于此，Intel在成立MBOA的同一天收購了藍(lán)牙芯片公司Mobilian。Intel聲稱，它今后要推出的Centrino2平臺將包括藍(lán)牙和三種類型的WiFi。
4、ZigBee
雖然藍(lán)牙和WiFi都可以用于監(jiān)視和控制，但它們原本都是為其它應(yīng)用設(shè)計的。以往802標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)中沒有一個是為遙測而設(shè)計的，研究重點(diǎn)始終放在提高速度上，高了還要高。為此，802.15工作組為遙測專門設(shè)計了一種無線電技術(shù)，編號為802.15.4。它不提供WiFi那樣的高速率，也不提供藍(lán)牙那樣的QoS。它的目標(biāo)是芯片功耗低、成本低(僅幾美元一個)。像藍(lán)牙一樣，802.15.4也采用抗干擾性好的跳頻技術(shù)。與藍(lán)牙不同的是，由于采用了ZigBee輕量選路協(xié)議，它還能夠形成全網(wǎng)狀網(wǎng)，不需要接入點(diǎn)。開發(fā)802.15.4產(chǎn)品的廠商還成立了ZigBee聯(lián)盟，它的作用與WiFi一樣，所以現(xiàn)在知道ZigBee的人比知道802.15.4的人還多。
802.11是面向基礎(chǔ)設(shè)施的，藍(lán)牙是面向移動電話的，而ZigBee是面向網(wǎng)絡(luò)的。ZigBee可能會成為802.15技術(shù)中最重要的一個，但它所形成的網(wǎng)狀網(wǎng)如何適配于現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)目前還是問題。預(yù)計包含ZigBee的第一批器件將是可以遙控的熒光燈泡，2004年底可以提供。燈開關(guān)是可移動的，人在暗處的任何地方都可把燈打開。這種應(yīng)用可能很受消費(fèi)者歡迎，但企業(yè)感興趣的將是傳感器。企業(yè)應(yīng)用需要很好的安全性。ZigBee現(xiàn)在還沒有完整的規(guī)范，估計規(guī)范中將包括針對不同應(yīng)用的不同級別的安全性。
除了安全性以外，ZigBee還存在一些其它問題。其中之一是物理層不統(tǒng)一，IEEE定義了兩種類型的802.15.4，分別在900MHz和2.4GHz頻段上提供不同的數(shù)據(jù)速率(40kbit/s和250kbit/s)。ZigBee協(xié)議將在這兩種物理層上運(yùn)行。為了讓ZigBee芯片做得很小、很便宜，廠商和用戶必將在兩種物理層中選擇一個。ZigBee的第三種物理層可能是UWB，但這是一個長遠(yuǎn)目標(biāo)，至今尚未標(biāo)準(zhǔn)化。UWB的主要優(yōu)點(diǎn)是功耗比，802.15.4還低，允許器件不用電池。有人預(yù)測，UWB網(wǎng)狀網(wǎng)最終將由“智能塵�！苯M成，這是一種精微無線電，它通過納米技術(shù)風(fēng)車或光電池產(chǎn)生能量。UWB網(wǎng)狀網(wǎng)的應(yīng)用潛力是很大的，美國軍方已經(jīng)在測試UWB在遙測方面的應(yīng)用，現(xiàn)在主要問題是成本，目前低速低功率的UWB芯片組價格至少為20美元。而ZigBee的價格目標(biāo)僅幾美分。當(dāng)然，目前還不能做到這一價位，所以ZigBee在短期內(nèi)還不可能便宜到包含在可隨意處置的物體中。這就是為什么第一批遙控?zé)襞輰⑹悄芰啃矢叩臒晒鉄襞荩劝谉霟襞莸氖褂脮r間長大約10倍。ZigBee聯(lián)盟相信，ZigBee芯片將像微處理機(jī)一樣無所不在，其應(yīng)用將遠(yuǎn)不止遙測遙控。
圖1是WiFi、藍(lán)牙和ZigBee三種無線網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖。在WiFi網(wǎng)中，每一WiFi器件直接連接接入點(diǎn)，接入點(diǎn)再使用以太網(wǎng)通過有線接至企業(yè)網(wǎng)。在藍(lán)牙網(wǎng)中，藍(lán)牙器件都接至起中繼作用的另一無線器件(通常是一部手機(jī)，用作集線器)。在ZigBee網(wǎng)中，所有ZigBee器件都能轉(zhuǎn)發(fā)彼此的業(yè)務(wù)，完全旁路有線網(wǎng)絡(luò)。
圖1 WiFi、藍(lán)牙和ZigBee三種無線網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
5、無源RFID
無源RFID是比ZigBee更小、更便宜的無線電技術(shù)，現(xiàn)在已經(jīng)存在。由于它們自身不含電源或處理器，無源RFID標(biāo)記不能啟動傳送或中繼彼此的業(yè)務(wù)。只有當(dāng)它們進(jìn)入RFID閱讀器的電磁場范圍內(nèi)才被激活。
無源RFID本身并非新東西，成千上萬的建筑物使用RFID接入卡，數(shù)百萬輛汽車使用附著在擋風(fēng)玻璃上的RFID標(biāo)記來付過路費(fèi)。但有兩件事情是新的，一是無源RFID的成本已經(jīng)降到標(biāo)記可以隨意貼的程度；二是新的標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)推出。一個價值10美分的無源RFID標(biāo)記使用電子產(chǎn)品碼(EPC)可以存儲對某一物體的完整描述。EPC是基于可擴(kuò)展置標(biāo)語言(XML)的一種用來描述物體的標(biāo)準(zhǔn)。
但是，現(xiàn)在很少有企業(yè)急于在每件東西上貼上無源RFID標(biāo)記。這是因為雖然標(biāo)記很便宜，但閱讀它們和處理信息所需的基礎(chǔ)設(shè)施并不便宜。無源RFID閱讀器的覆蓋距離與藍(lán)牙相同，故被跟蹤的物體必須在閱讀器附近。一種做法是把閱讀器放在建筑物的每一入口或出口，再用ZigBee把它們連接在一起。另一種做法是使用移動閱讀器，它通過WiFi轉(zhuǎn)發(fā)庫存數(shù)據(jù)或把數(shù)據(jù)存入存儲器。
目前對無源RFID的用途和潛力存在估計過高的現(xiàn)象。在美國使用無源RFID最多的是Wal-Mart，它要求其供貨商到2005年在所有進(jìn)貨上貼上RFID標(biāo)記。但這也就影響其100家最大的供貨商，只在紙板箱和貨柜上使用標(biāo)記。在貨架上的每件產(chǎn)品在可預(yù)見的將來不會使用RFID標(biāo)記。
表l是對上述四種無線技術(shù)的簡單比較。
無線技術(shù) | 優(yōu)點(diǎn) | 缺點(diǎn) | 節(jié)點(diǎn)成本 |
WiFi(802.11b、a和g) | 使用現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)，高速率、前向后向兼容 | 高功耗、協(xié)議開銷大、需要接入點(diǎn) | 約20美元 |
藍(lán)牙 | 目前用量很大、對語音最優(yōu) | 以移動電話為中心，每網(wǎng)最多8個節(jié)點(diǎn) | 低于5美元 |
ZigBee (802.15.4) | 低功耗、可選路的網(wǎng)狀網(wǎng)，無需接入點(diǎn) | 目前還沒有產(chǎn)品，預(yù)計的成本和時間表可能不切實際 | 50美分（預(yù)計） |
無源RFID標(biāo)記 | 成本很低、無功耗 | 無處理能力，需要閱讀器和數(shù)據(jù)存儲器 | 5-50美分 |
6、802.15標(biāo)準(zhǔn)
短距離無線技術(shù)原本是為支持個人域網(wǎng)(PAN)而開發(fā)的，PAN由個人攜帶的電子小器具組成。但是IEEE和其它工業(yè)組織相信，它們的潛力遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止于此。IEEE802.15工作組正在定義以下幾種不同的短距離技術(shù)，其中有的已經(jīng)超出了個人范圍。
802.15.l本質(zhì)上只是藍(lán)牙低層協(xié)議的一個正式標(biāo)準(zhǔn)化版本。大多數(shù)標(biāo)準(zhǔn)制定工作仍由藍(lán)牙特別興趣組(SIG)在做，其成果將由IEEE批準(zhǔn)。原始的802.15.1標(biāo)準(zhǔn)基于藍(lán)牙1.1，在目前大多數(shù)藍(lán)牙器件中采用的都是這一版本。新的版本802.15.1a將應(yīng)于藍(lán)牙1.2，它包括某些QoS增強(qiáng)功能，完全后向兼容。
802.15.2是對藍(lán)牙和802.15.1的一些改變，其目的是減輕與802.l1b和802.1lg網(wǎng)絡(luò)的干擾。這些網(wǎng)絡(luò)都使用2.4GHz頻段，故如果想同時使用藍(lán)牙和WiFi的話，就需要使用802.15.2或其它專有方案。
802.15.3也稱WiMedia，旨在高速率。最初它瞄準(zhǔn)的是消費(fèi)類器件，如電視機(jī)和數(shù)碼照相機(jī)等。其原始版本規(guī)定的速率高達(dá)55Mbit/s，使用基于802.11但不兼容的物理層。后來多數(shù)廠商傾向于802.15.3a，這是使用UWB的MBOA的物理層，速率高達(dá)480Mbit/s。打算生產(chǎn)802.15.3a產(chǎn)品的廠商成立了WiMedia聯(lián)盟，其任務(wù)是對設(shè)備進(jìn)行測試和貼牌，以保證標(biāo)準(zhǔn)的一致性。
802.15.4如前所述旨在長電池壽命和低器件成本。速率可以低至9.6Mbit/s，不支持語音。ZigBee聯(lián)盟正在制定在802.15.4上運(yùn)行的高層協(xié)議，允許網(wǎng)狀網(wǎng)的規(guī)模大小實際上可以不受限制。
802.15.5還在制定之中。其最終目的是使網(wǎng)狀網(wǎng)能夠在MAC層形成，不再需要ZigBee或IP選路。
第6種現(xiàn)在尚未正式列入802.15標(biāo)準(zhǔn)，它將包括基于太赫茲輻射(即T射線)的無線網(wǎng)。T射線結(jié)合光和無線電的特性，理論上可達(dá)到幾千兆比特的速率。
7、結(jié)束語
上面介紹了將來可用于機(jī)對機(jī)應(yīng)用的各種無線網(wǎng)。在這些無線網(wǎng)技術(shù)中，大多數(shù)設(shè)備至今還是太大、太貴，難以嵌入在每件東西中。但是人們正在努力把它們做得更小、更便宜。確實有可能做出可裝在手表內(nèi)部的50美分的無線電路由器�，F(xiàn)在還不清楚的問題是，怎樣以及是否要把這些新的聯(lián)網(wǎng)器件與現(xiàn)有的企業(yè)網(wǎng)相連。
做一個能聯(lián)網(wǎng)的器件是比較容易的，但要構(gòu)筑一個可靠的網(wǎng)絡(luò)就難得多。由移動節(jié)點(diǎn)組成的網(wǎng)狀網(wǎng)需要多條冗余路由，故在構(gòu)成移動節(jié)點(diǎn)的大量器件中必須含有網(wǎng)狀網(wǎng)技術(shù)。在技術(shù)上這肯定是能夠做到的，但是否切合實際，是否符合人們需要現(xiàn)在還難說。
無源RFID標(biāo)記和傳感器在某些行業(yè)中已經(jīng)產(chǎn)生很大影響，能使供應(yīng)鏈更加流暢、資產(chǎn)管理更加精細(xì)。自身帶有存儲器和處理能力的有源RFID可做的事情就更多。應(yīng)該說，與潛在的好處及節(jié)省的成本相比，RFID的風(fēng)險是很小的。但是，它們的市場前景現(xiàn)在還不很明朗，市場究竟是走向無源RFID、有源網(wǎng)狀網(wǎng)，還是兩者兼有之，還需要進(jìn)一步觀察。迄今還有許多無線標(biāo)準(zhǔn)在制定之中，其中有些可能以失敗告終。對這一點(diǎn)，我們必須要有充分的認(rèn)識。
摘自 泰爾網(wǎng)
