面向HAECS應用實現(xiàn)標準化的DECT技術(shù)解析

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

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