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Mesh网络和LPWAN——两种无线低功耗IIoT传感网络的差异

来源:控制工程网2020.04.01阅读 1854

  在以电池供电、无处不在的传感器网络的驱动下,工业物联网(IIoT)正以前所未有的精细度捕获数据,重塑工业连接领域。 从远程监控和能源管理、到工作人员安全和环境感知,IIoT应用需要在不影响运营商级可靠性的前提下满足功耗、可扩展性、移动性和成本要求的无线基础架构。
  基于IEEE 802.15.4标准的低功耗网状网络和低功耗广域网(LPWAN)是两种常见的选项。尽管两者都可满足低吞吐量IIoT应用的需求,但它们在网络标准方面有很大差异。了解它们之间的差异,可以使系统设计人员更好地决定哪种无线网络与其架构和应用场景相匹配。
  网状网络
  IEEE 802.15.4是一种无线电标准,定义了低速率无线个域网(LR-WPAN)中的物理和介质访问控制(MAC)层。尽管IEEE 802.15.4标准允许在不同的免许可证工业、科学和医学(ISM)频段中应用,但基于此标准构建的大多数解决方案,仅针对2.4 GHz频段进行了调整。例如,WirelessHART、ISA-100.11a和Zigbee都是工业应用中经常用到的解决方案。

图1.网格技术的两种变体。图片来源:Behr Technologies

  2.4 GHz的运行模式仅能提供10到100米的有限传输范围,因此这些解决方案采用网状拓扑来改善整体网络的覆盖范围。通常控制工程网版权所有,信号会通过多个设备,直至到达目的网关。在像WirelessHART这样的全网状网络中,所有传感器节点都具有路由能力,以中继来自其它节点的数据。在Zigbee或ISA-100.11a之类的部分网状网络中,只有被选定的节点才能充当路由器。
  网状网络的可靠性通过其自我修复功能来实现。如果路由器或传感器节点无法正常工作,则可以通过其它路径重新路由该消息。为了避免包冲突,并进一步提高鲁棒性,采用了诸如“先听后说”或时间同步通信之类的方法。
  不利的一面是,2.4 GHz频段包含众多的电磁噪声源。虽然WirelessHART和ISA-100.11a使用信道跳变或跳频来提高抗干扰性,但是如果所有2.4 GHz信道都饱和,这种方法将无济于事。此外,2.4 GHz 射频信号较弱的穿透能力,意味着在结构密集的工业环境中,进行多径传播会降低传输范围和信号质量。
  通过将数据速率降低到最大250 Kbit/s,IEEE 802.15.4解决方案旨在显著降低功耗。但是,网状拓扑中继本质上是能源密集型的。在全网状网络中,靠近网关或在战略重要位置布置的节点,会承载大量的中继流量。因此,它们极易受到电池故障的影响。
  设计和管理网状网络是一项重要的工作。必须安装其它设备作为专用路由器才能达到所需的范围。特别是在工业环境中,如果物理屏障较大,需要较高的路由器密度www.cechina.cn,以抵消较弱的网络穿透力,并确保网络的可靠性。在手动配置的网状网络中控制工程网版权所有,用户必须为每个节点计算和配置不同的路由路径,并手动处理任何中断。因此,由于冗余的设备密度和连接而导致的复杂性和成本膨胀,会妨碍网络的可扩展性,并将这些网络的应用局限于中等规模应用。
  像WirelessHART这样的自组织解决方案,可以极大地简化规划和运行,但其自身也存在可扩展性的问题。自配置路径并不总是最佳的。最重要的是,在拥挤的2.4 GHz带宽通道中具有较多的干扰源,可能会限制网络容量。实际结果是,网格解决方案的可扩展性,可能每个网关只能连几百个设备。
  对于这类网络,缺乏移动性支持是另一个需要考虑的因素。IEEE 802.15.4协议,仅适用于来自静态设备的通信,因此不适用于带有移动端设备的IIoT场景。
  低功耗广域网

图2. 低功耗广域网的体系结构

  低功耗广域网是在低功耗的情况下进行长距离、低吞吐量数据通信的一系列技术。 尽管不同解决方案之间的数据速率差异很大,但它们通常低于IEEE 802.15.4网络。 除了基于蜂窝的低功耗广域网外,大多数技术都利用Sub-GHz的ISM频段,该频段不像2.4 GHz那样拥挤,并且可以实现更好的信号传播。
  在窄信道带宽下运行的Sub-GHz无线电波衰减较小,在障碍物周围绕行的更远,并能更好地穿透建筑物。 在由钢、金属、玻璃和其它物理障碍物导致的多径传播环境中,这可以提高信号性能;在低功耗广域网中可以实现数千米范围的传播。
  凭借其广泛的传播范围,低功耗广域网可以部署在单跳星形拓扑中,该拓扑比网状拓扑具有更高的能效,而且更易于管理。由于节点不必始终保持活动状态来中继消息,因此它们可以在休眠模式下保持更长的时间CONTROL ENGINEERING China版权所有,从而将能耗降至最低。而且,轻量级的MAC协议和异步通信大大减少了每次传输的开销和功耗。
  低功耗广域网的另一个主要优势是总拥有成本低。由于波形比较简单,因此硬件设计的复杂性可以降到最低,从而降低了设备成本,而星形拓扑结构与长距离相结合,则减少了对昂贵的基础架构的需求。
  尽管在传播范围、电池寿命和成本方面均优于IEEE 802.15.4解决方案,但许多低功耗广域网解决方案(尤其是那些使用免许可证频谱的解决方案)不能保证运营商级的可靠性。具体地说,由于数据速率慢而导致的长传输(即空中)时间CONTROL ENGINEERING China版权所有,再加上异步通信,增加了消息冲突和分组错误的可能性。随着设备数量和同频道流量的增加,网络性能迅速下降。某些低功耗广域网技术还因频谱效率低而受到限制,从而限制了网络容量和可扩展性。
  电报拆分(Telegram splitting)是欧洲电信标准协会(ETSI)制定的一项新标准,该标准为低吞吐量网络制定,有望有效克服免许可证低功耗广域网遇到的这些挑战。 通过减少广播时间并采用跳频和信道编码等强大的技术CONTROL ENGINEERING China版权所有,电报拆分可提供巨大的网络容量,每个网关每日可以处理数百万条消息,且与终端节点的数量无关。 同时,在存在高无线电干扰的情况下,将包错误率降至最低。 而且,该技术可提供对高达120 km/h的移动性的良好支持。
  如果在许可频谱中运行,基于3GPP标准的蜂窝低功耗广域网(例如NB-IoT,LTE-M)是替代的可靠解决方案。然而,值得注意的是,这可能会以相对较高的功耗和成本为代价,实现在蜂窝低功耗广域网中的服务质量和可扩展性。
  适合应用的差异性
  虽然基于IEEE 802.15.4的网状网络和低功耗广域网均旨在支持电池供电的传感器网络,但它们适用于不同的IIoT场景和装置设置。 IEEE 802.15.4解决方案更适合于中等范围和规模的应用,在这些应用中,节点大多是固定的,并且彼此之间的位置很近。这些网络较高的数据速率和相对较低的延迟,使其在某些工业自动化和控制应用中成为昂贵的有线网络的理想替代方案。
  低功耗广域网具有出色的传输范围和穿透性能,对于地形复杂且物理障碍较大、地理位置分散的园区而言是更好的选择。它们为仅需要定期传输数据、对延迟不敏感的IIoT用例,提供了更具可扩展性、成本效益和能效的解决方案。典型的应用包括状态监视预测性维护、环境感知和能源管理。借助对移动性的出色支持,某些低功耗广域网还可为工人安全和车辆管理等各种应用场景提供可行的连接。
  尽管与基于IEEE 802.15.4的网络不同,但并非所有的低功耗广域网解决方案都基于严格的、全球公认的行业标准。迄今为止,只有两种标准化的低功耗广域网:一种是实施3GPP标准的蜂窝低功耗广域网;另一种是MIOTY——可以实现ETSI标准的电报拆分技术(TS 103 357)的解决方案。与专有协议不同,基于行业标准的解决方案的服务质量和可扩展性经过验证,同时有助于避免供应商锁定的问题。最终,这将帮助公司从其IIoT项目中获得更好的长期投资回报。 (作者:Albert Behr)

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