作者:Dialog半導體有限公司Steven Leussink與René Kohlmann
家庭網(wǎng)絡市場正在發(fā)生巨大變化——從恒溫器、電燈開關(guān)到門鎖和煙霧探測器,一系列種類繁多的家用系統(tǒng)都將實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)。這種轉(zhuǎn)變源于人們希望改善環(huán)境和降低能耗的共同愿望,并有望為各類科技公司帶來巨大商機。
據(jù)預測,僅在美國,家庭能源管理設備未來五年的出貨量就將超過1.4億件(GBI)。其它市場也與此類似,例如,此類設備在英國的市場總量預計將超過24億英鎊(IMS)。
盡管如此,此類設備必須支持現(xiàn)有家庭網(wǎng)絡,不同廠商的設備之間的互操作性是確保廠商業(yè)務成功獲得成功的關(guān)鍵所在。
全球有超過6億戶家庭安裝了家庭網(wǎng)絡(IMS預測),用于連接計算機、媒體播放器、智能電視機連接打印機、網(wǎng)絡連接存儲(NAS)系統(tǒng)、互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)以及鼠標、耳麥、鍵盤等日益增多的配件。
與標準化的WiFi、以太網(wǎng)、USB等家庭計算網(wǎng)絡一樣,這些新的HAECS(家庭自動化、能源管理、護理與安全)網(wǎng)絡也必須實現(xiàn)標準化,以便采用一種具備互操作性、可覆蓋整個家庭、并能延長電池續(xù)航時間的技術(shù);不僅如此,這個標準還必須具備可靠、安全、可擴展、容易設置的特點。
這個標準就是DECT。
作為事實標準的DECT
采用一個標準對于大規(guī)模推廣是必不可少的。它能夠確?;ゲ僮餍?,并提升客戶的信心,從而增加每個網(wǎng)絡中的節(jié)點數(shù)量,為最終用戶和服務提供商創(chuàng)造價值。
當今的很多解決方案不是基于某個標準,而是基于一些特殊利益集團。
與此相反,常常被忽視的DECT標準已在全球5.8億戶家庭中落戶,每年在約1.2億個出售給家庭用戶的新系統(tǒng)所采用。
一項歷史悠久、不斷演進的技術(shù)
問世于1987年的DECT(Digital Enhanced Cordless Telecommunications,數(shù)字增強型無線通信)是一個開放的ETSI標準,目的是在住宅、商業(yè)和公共環(huán)境中實現(xiàn)靈活的數(shù)字無線通信。它采用了多項能夠高效利用無線頻譜的先進技術(shù),因此,能夠?qū)崿F(xiàn)較高的語音質(zhì)量、高達1 Mbps的原始數(shù)據(jù)速率和安全通信,而且干擾風險也非常低。
隨著時間的推移,DECT也在不斷演進,通過加入CAT-iq(Cordless Advanced Technology – internet and quality,無線先進技術(shù)-互聯(lián)網(wǎng)與質(zhì)量)特性的DECT能提供寬帶語音質(zhì)量,并能集成無線通信和互聯(lián)網(wǎng)服務,從而讓DECT電話能夠用于VoIP以及音頻流等其它互聯(lián)網(wǎng)應用,并確保不同廠商的網(wǎng)關(guān)及話機設備之間的互操作性。
在主流電信運營商的支持下,DECT技術(shù)及其CAT-iq特性已經(jīng)被集成到眾多家庭網(wǎng)關(guān)和綜合接入設備中,不再需要單獨的調(diào)制解調(diào)器、路由器和電話基站,并實現(xiàn)了三網(wǎng)合一服務。據(jù)IMS Research預測,到 2015年,DECT/CAT-iq IAD(包括有線、xDSL和光纖)的全球普及率將達到35%,總量高達2500萬件設備。
DECT被HAECS應用忽視的原因之一是:人們直到現(xiàn)在還認為其功耗對于“fix-and-forget”型節(jié)點而言太高。但是,最新的DECT產(chǎn)品包含一個超低能耗模式,它是由ETSI批準的一種新模式,被稱為DECT ULE。
它可以讓感應器/執(zhí)行器節(jié)點使用一節(jié)標準的AAA電池自主運行5至10年。DECT ULE全面兼容前幾代DECT 和CAT-iq產(chǎn)品,提供相同的語音質(zhì)量、可靠性、安全通信和即插即用特性,并支持廣泛的現(xiàn)有DECT系統(tǒng)。
憑借CAT-iq和DECT ULE技術(shù),DECT可完美匹配HAECS應用??紤]到其較高的消費者接受程度、巨大的保有量以及互聯(lián)網(wǎng)連接性,DECT ULE的優(yōu)勢明顯多于目前的其它網(wǎng)絡技術(shù)(見附錄)。
傳輸距離
任何家庭網(wǎng)絡技術(shù)必須能夠在一個典型房屋中可靠地傳輸數(shù)據(jù)。在探討某種RF技術(shù)的傳輸距離時,我們通常從鏈路預算(發(fā)射器和接收器之間可以彌補的路徑損耗)的角度考慮這個問題。為了覆蓋從地窖到屋頂?shù)拇蟛糠址课?,我們需要約115 dB的最小鏈路預算。
各種HAECS技術(shù)的鏈路預算取決于數(shù)據(jù)速率、傳輸頻率、發(fā)射功率等用例選擇。表1列出了不同技術(shù)的用例選擇和最佳鏈路預算。
表:DECT擁有一個足夠覆蓋正常房屋的鏈路預算,并能以較高的速率傳輸數(shù)據(jù)。
憑借123 dB的鏈路預算,DECT明顯能夠滿足消費者對于家庭網(wǎng)絡的要求,讓他們能夠在家中自由行動,并將節(jié)點安裝在任何地方,甚至安裝在地窖、墻壁插座等不理想的地方。其它一些技術(shù)不具備所需的鏈路預算,需要將RF路徑分為多個較小的路徑段,例如,在網(wǎng)狀網(wǎng)中。因此,這要求將路由器安裝在屋內(nèi)的特定位置,而且需要使用市電。對于消費者而言,這些因素提高了安裝的復雜性。
功耗與延時
Zigbee/802.15.4等技術(shù)經(jīng)常宣稱其功耗低于任何其它網(wǎng)絡技術(shù)。但是,根據(jù)物理學原理,在傳輸距離和接收機率相同的情況下,發(fā)送相同數(shù)量的數(shù)據(jù)將消耗相同的能量。因此,當您考慮鏈路預算和將要交換的信息量時,所有建議的HAECS系統(tǒng)的實際功耗其實都很接近。
圖2:電池續(xù)航時間取決于睡眠/喚醒率,多類應用使用一節(jié)AAA電池可運行10年。
因此,節(jié)點運行時間(或電池續(xù)航時間)的最大區(qū)別源于睡眠/喚醒率,而后者與具體的用例延時要求有關(guān)。感應器的自運行時間大多取決于在它們處于非活動狀態(tài)時所發(fā)生的事件的數(shù)量。對于執(zhí)行器而言,自運行時間通常由所需延時決定,而典型的執(zhí)行器要求延時低于1秒。
采用DECT ULE時,如果每小時發(fā)生10個事件,一個典型的感應器應用使用一節(jié)AAA電池可以運行超過10 年(黃色曲線)。對于延時低于2秒的執(zhí)行器而言,自運行時間仍能達到2年(紅色曲線)。
干擾、傳輸可靠性和數(shù)據(jù)傳輸量
各種無線信號之間的干擾可降低信息抵達目的地的機率,而消費者會對那些經(jīng)常失效的產(chǎn)品失去興趣。即使干擾不會妨礙傳輸,它們?nèi)詴蠓档驮摷夹g(shù)在室內(nèi)的傳輸距離和自運行時間。
很多家庭網(wǎng)絡技術(shù)使用流行的sub-GHz或2.4 GHz工業(yè)/科學/醫(yī)療(ISM)頻段,因為其使用沒有任何地理限制。盡管如此,這些頻段非常擁擠,被保有量巨大的Wi-Fi、藍牙以及眾多專有設備所占據(jù)。
如果沒有在這些頻段中共存的協(xié)議,即使在不太擁擠的sub-GHz頻段內(nèi),也不能保證各個設備能夠共存。
這個問題不僅給Zigbee/802.15.4或RF4C等2.4 GHz頻段中的新來者,而且給眾多專有的sub GHz頻段解決方案帶來了巨大挑戰(zhàn)。為了確保系統(tǒng)的正常運行和服務質(zhì)量,使用這些頻段的服務提供商將需要提供額外的安裝支持。對于IAD制造商而言,集成多個使用相同頻段的無線解決方案的前景并不美妙。共存只是解決存在問題,而在沒有一個認證機構(gòu)的情況下如何成功部署這些設備,依然是一個極大的挑戰(zhàn)。
另一方面,DECT使用一個中心頻率為1.9 GHz的20 MHz寬頻段。該頻段在全球100多個國家為授權(quán)頻段,因此可以減少來自其它來源的干擾。而且很獨特的一點是,雖然該頻段是授權(quán)和預留頻段,但卻不用支付許可費。此外,DECT成熟的動態(tài)信道選擇/分配(DCS/DCA)功能可確保每次傳輸都使用最佳的可用無線信道。DECT DCA可被視為當今被稱為“認知無線電”的初期實現(xiàn)。因此,大量DECT系統(tǒng)可以在相同的頻段內(nèi)共存,同時確??煽康母哔|(zhì)量通信。
互操作性
HAECS市場是一個分化很嚴重的市場,各個市場參與方僅支持HAECS 家庭網(wǎng)絡的某些元素。互操作性不僅對于大量應用至關(guān)重要,而且還能為客戶創(chuàng)造價值。DECT 標準自問世以來就支持通用接入規(guī)范(GAP),以確保不同廠商的基站和話機之間的互操作性。后來的CAT-iq支持寬帶編解碼器協(xié)商等更高的互操作性。
為了保持這一優(yōu)勢,由服務提供商、制造商和芯片廠商組成的DECT論壇舉辦了針對ULE設備的互操作性測試會議,并于今年年初在瑞士舉辦了第二屆會議。此外,ETSI正在完成 DECT 標準的修正案。
這些活動不僅能確??蓪LE設備集成到傳統(tǒng)的DECT系統(tǒng)中,而且還能確保不同廠商的設備之間的互操作性。
網(wǎng)絡可擴展性
供熱系統(tǒng)、家庭安全、能源管理、家庭護理等一系列廣泛的應用形成了很多不兼容的子網(wǎng),它們通常是一些獨立的解決方案,而不是諸如互聯(lián)網(wǎng)等大網(wǎng)絡的一部分。
將應用協(xié)議從傳輸協(xié)議(UDP/TCP)分離開一直是實現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)可擴展性的關(guān)鍵所在。鑒于這個原因,DECT/ULE 路線圖預見了對IPv6的整合,以實現(xiàn)從“云端”到終端節(jié)點的全程應用透明。將成功的互聯(lián)網(wǎng)標準(IETF)與DECT/ULE 標準相結(jié)合,為實現(xiàn)一個可擴展的無線設備網(wǎng)絡(物聯(lián)網(wǎng))創(chuàng)造了獨特的機遇。
圖3:基本的星形(左)和樹形網(wǎng)絡
網(wǎng)狀和樹形拓撲結(jié)構(gòu)等多跳網(wǎng)絡的規(guī)模易于擴展,但在家庭應用領(lǐng)域,它們的應用范圍有限,而且將增加安裝的復雜性。網(wǎng)狀Zigbee網(wǎng)絡因它們的復雜性而臭名昭著,但過去幾十年以來,消費者卻非常成功地部署了自我安裝型的DECT轉(zhuǎn)發(fā)器(樹形)。
節(jié)點密度(每平方米節(jié)點數(shù))是僅次于網(wǎng)絡規(guī)模的第二大重要因素。使用sub GHz頻段的網(wǎng)絡很快會因較窄的可用帶寬(2MHz)耗盡容量,2.4 GHz解決方案也會因傳統(tǒng)產(chǎn)品之間的干擾而不符合要求;但是,系統(tǒng)帶寬高達20MHz的DECT ULE支持極高的節(jié)點密度。
截至2011年第一季度,全球已有5.4億戶家庭擁有固定寬帶連接(Point Topic),而且該數(shù)字正以每年 12%的速度增長,這為新一代基于互聯(lián)網(wǎng)的HAECS設備及服務帶來了巨大潛力。
這些基于DECT/ULE的網(wǎng)關(guān)將 HAECS 設備與互聯(lián)網(wǎng)無縫整合,從而創(chuàng)建一個萬事俱備的生態(tài)系統(tǒng),讓服務提供商能夠開發(fā)各種新型服務,并提高每個設備的平均收益(ARPU)。
成本
Zigbee、藍牙和DECT都擁有類似的軟硬件要求。例如,Zigbee軟件棧約為100 Kbytes,DECT軟件棧為 60-80 Kbytes(取決于功能)。因此,這兩種技術(shù)的成本接近。
這意味著,技術(shù)的成熟度和產(chǎn)量是決定價格的主要因素。每年3億件銷量的DECT芯片代表了一個健康的多廠商市場,它可以確保較低的組件價格和充足的貨源。
當今的單芯片DECT SoC的價格遠低于ZigBee SoC的2-3美元價位,而且通常還提供語音編碼器、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器等一系列軟硬件資源,用于區(qū)分各類應用。
共享DECT功能還能為消費者進一步降低系統(tǒng)成本,這也包括現(xiàn)有的IAD。
語音與安全性
雖然語音應用與HACES沒有直接聯(lián)系,但對于幾種安全和家庭護理應用而言,語音鏈路卻最為重要。DECT最初是為無繩電話而設計的,因此自然能在家庭之內(nèi)和之外提供高質(zhì)量的語音鏈路。DECT目前支持AES-128加密鏈路,包括認證算法,而且在鏈路完整性方面擁有良好的記錄。DECT UL保持了同樣高的語音質(zhì)量以及幾百萬個現(xiàn)有DECT系統(tǒng)中正在使用的語音傳輸安全機制,因此,可用于搭建類似于當今無線話機那樣可防竊聽的HAECS網(wǎng)絡。
安裝、配置、運行和維護
DECT ULE和它的前代無繩電話一樣易于安裝、配置和運行。
基于一種由所有設備執(zhí)行的分布式算法(動態(tài)信道分配)的自動頻率規(guī)劃功能,可讓所有感應器/執(zhí)行器使用完整的DECT頻譜,因此,與其它解決方案相比,簡化了配置工作。其星形拓撲結(jié)構(gòu)將網(wǎng)絡配置工作簡化為一項經(jīng)過驗證的消費者任務。
此外,通過無線方式升級固件(通過ETSI DECT標準的空中軟件升級(SUOTA))為ULE網(wǎng)絡賦予了前瞻性,提升了網(wǎng)絡提供商在現(xiàn)有配置中部署新產(chǎn)品的能力。
附錄:無線網(wǎng)絡協(xié)議對比
責任編輯“gt
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