跳頻與擴(kuò)頻：無線機(jī)器對(duì)機(jī)器接口
盡管M2M (機(jī)器對(duì)機(jī)器) 成了當(dāng)今銷售領(lǐng)域最流行的詞，其前身無線M2M 技術(shù)早在十年前就出現(xiàn)了。一個(gè)已經(jīng)不為人們感興趣的術(shù)語是“遙測(cè)技術(shù)”。早期的太空計(jì)劃使用無線遙測(cè)技術(shù)從太空船中向NASA 發(fā)送數(shù)據(jù)，并將控制信號(hào)返回到太空船，無需人為干預(yù)。軍用頻率的分配方便了NASA的工作。較高的功率級(jí)別確保了可靠的通信。最近，設(shè)計(jì)人員將空間遙測(cè)技術(shù)概念應(yīng)用于車輛中，如F1賽車。車載計(jì)算機(jī)可以從車輛上將數(shù)據(jù)發(fā)送到賽道旁的計(jì)算機(jī)中，后者可自動(dòng)調(diào)節(jié)空氣燃油比和其它參數(shù)使賽車達(dá)到最佳性能。其它無線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用包括當(dāng)自動(dòng)售貨機(jī)缺少貨物或需要維護(hù)時(shí)，用“call home” 手機(jī)向管理中心報(bào)告情況。在汽車領(lǐng)域，術(shù)語 “telematics”（無線數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)）替代了過時(shí)的詞“遙測(cè)技術(shù)。”Telematics 涵蓋了娛樂、導(dǎo)航及緊急情況使用。General Motors 率先利用此概念研制出了OnStar service。該無線數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)包括功能強(qiáng)大的手機(jī)、車載娛樂和導(dǎo)航系統(tǒng)?？蓪?shí)時(shí)下載交通路況報(bào)告，允許用戶報(bào)告緊急情況或請(qǐng)求援助。由于手機(jī)從汽車電池接受電源，且天線不需安裝到小型的手機(jī)上，使系統(tǒng)連接能力超出了手機(jī)連接的能力。
未來主義者及權(quán)威人士構(gòu)想了一個(gè)M2M 網(wǎng)絡(luò)，其中機(jī)器連接到Internet上。這種情況的問題是它要求機(jī)器中的嵌入式系統(tǒng)不但要有無線模塊，而且要有針對(duì)TCP/IP （傳輸控制協(xié)議/Internet 協(xié)議）的協(xié)議堆棧和硬件。這種情況會(huì)造成這樣的問題：如何分配IP 地址給所有這些設(shè)備，然后提供DNS（域名服務(wù)器）或其它方式來尋找使用這些設(shè)備。Panasonic 把具有hard-IP 地址的網(wǎng)絡(luò)攝像頭構(gòu)建到企業(yè)運(yùn)營的服務(wù)器。如果你購買了攝像頭，就可以通過瀏覽器導(dǎo)航進(jìn)入該網(wǎng)址，服務(wù)器可在攝像頭和你的瀏覽器之間建立路由。這種方法充其量是有點(diǎn)笨拙。某些研究人員提出一種方案，即隨機(jī)地分配IP 地址到各部分設(shè)備中（參考文獻(xiàn)1）。他們指出IPv6 (IP 版本 6) 提供了2128 個(gè)地址，足夠在每平方米地面上容納6.6×1023 個(gè)設(shè)備。
較大片的無線M2M 網(wǎng)絡(luò)作為子網(wǎng)存在于Web中，通常沒有路由或IP。要從Web 獲取數(shù)據(jù)到子網(wǎng)中，需要安裝路由器和網(wǎng)關(guān)。所有這些現(xiàn)實(shí)情況都有悖于每個(gè)無線 M2M網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)價(jià)格低于2美元、都能連接到Web的宣傳。憑自身能力而完善的計(jì)算機(jī)路由器和網(wǎng)關(guān)會(huì)抵消任何網(wǎng)絡(luò)的低成本優(yōu)勢(shì)。僅在幾年前，人們還認(rèn)為藍(lán)牙會(huì)消除小轎車、桌面及工作臺(tái)上的所有線纜。但實(shí)際上，藍(lán)牙作為一種無線耳機(jī)支持技術(shù)，還是有兩英尺尾巴——從你的腰帶連到耳朵上。無線網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)狀包括高成本的編寫與標(biāo)準(zhǔn)化高級(jí)協(xié)議，以使這些設(shè)備尋找并連接其它設(shè)備。當(dāng)工程師們達(dá)到該目標(biāo)后，他們認(rèn)識(shí)到這些設(shè)備需要安全性，否則任何人都可窺探你的PDA 或手機(jī)。任何特別的或自我安排的無線M2M 系統(tǒng)都必須處理好這些問題。這些令人好奇的實(shí)驗(yàn)室新鮮玩意，對(duì)于只出于純粹的破壞欲而破壞你的數(shù)據(jù)的青少年并沒有多大用處。
讓我們來看看M2M無線網(wǎng)絡(luò)的好處與不利之處。M2M無線設(shè)備現(xiàn)在不是使用原有的手機(jī)網(wǎng)絡(luò)就是使用新興的ISM網(wǎng)絡(luò)，后者使用800MHz、900MHz、及2.4GHz 頻段。在不遠(yuǎn)的將來，運(yùn)行在10GHz到20GHz的批準(zhǔn)頻段及未批準(zhǔn)的2GHz到11GHz 頻段的WiMax 網(wǎng)絡(luò)將會(huì)是主要的趨勢(shì)。手機(jī)企業(yè)和計(jì)算機(jī)巨頭，如 Intel，也在關(guān)注著50MHz 到200MHz的模擬TV 帶寬。這些頻段的低頻允許設(shè)備以較低的功耗達(dá)到較長信號(hào)傳播距離，而且無論風(fēng)雨，都不會(huì)影響其接收效果。盡管WiMax正在增長，但畢竟還只是未來的技術(shù)。如今兩種占優(yōu)勢(shì)的無線技術(shù)是 手機(jī)與IEEE 802-style ISM技術(shù)。
手機(jī)網(wǎng)絡(luò)有傳播距離長和部署廣泛的優(yōu)勢(shì)。許多現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工程師很難找到無線IEEE 802 熱點(diǎn)，但公司給他們Verizon 和AT&T PC 卡后，就可以通過手機(jī)系統(tǒng)連接到Web。他們就可以從美國的任何地點(diǎn)檢查并發(fā)送電子郵件。使用手機(jī)網(wǎng)絡(luò)的M2M 網(wǎng)絡(luò)也會(huì)有相同的優(yōu)勢(shì)。結(jié)果，移動(dòng)和遠(yuǎn)程應(yīng)用，如OnStar 和長途運(yùn)輸車隊(duì)，通過將一個(gè)GPS (全球定位系統(tǒng)) 接收機(jī)添加到無線模塊上來監(jiān)測(cè)車輛位置，采用了基于峰窩的連接。此特性幫助車隊(duì)主人分析路線，并有監(jiān)測(cè)能力來檢查駕駛?cè)藛T的行為。同樣，一個(gè)橋接結(jié)構(gòu)中可使用傳感器來監(jiān)測(cè)應(yīng)力、流量及降級(jí)等。這些傳感器可連接到維護(hù)與公路控制計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，當(dāng)出現(xiàn)地震或事故，如結(jié)構(gòu)損壞時(shí)，提供緊急情況警告。這些基于手機(jī)的系統(tǒng)成本高、功耗大。無線模塊的成本由于消費(fèi)者手機(jī)的普及而迅速下降。但使用網(wǎng)絡(luò)的成本仍然很高，原因是由于電訊公司掠奪性的定價(jià)模式：按連接或分鐘收費(fèi)，而M2M 系統(tǒng)一般只需發(fā)送幾個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)。
將設(shè)備直接連接到Internet 并非總是必須的。ZigBee的支持者正在將數(shù)以十計(jì)、百計(jì)甚至上千個(gè)傳感器連接到一個(gè)中央節(jié)點(diǎn)或協(xié)調(diào)器上。如果需要從Internet發(fā)送或接收數(shù)據(jù)，可以安裝一個(gè)網(wǎng)關(guān)。盡管ZigBee 網(wǎng)不是常規(guī)的子網(wǎng)，并使用分組路由及其它復(fù)雜技術(shù)來將數(shù)據(jù)在同類設(shè)備之間路由或路由到中央?yún)f(xié)調(diào)器。傳統(tǒng)的ZigBee 應(yīng)用為HVAC （供暖/通風(fēng)/空調(diào)）和建筑物中燈光控制，以及工廠或現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)據(jù)采集。一個(gè)巧妙的應(yīng)用是將ZigBee 節(jié)點(diǎn)嵌入到道路中的反射凸點(diǎn)上（圖4）。這些節(jié)點(diǎn)可以實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)并報(bào)告停車場(chǎng)地實(shí)時(shí)利用情況，允許采集數(shù)據(jù)，判斷是否有人向汽車停放收費(fèi)機(jī)交錢（參考文獻(xiàn)3）。盡管某些工業(yè)參與者將RFID 方案納入無線M2M 網(wǎng)絡(luò)，其它一些人還是認(rèn)為該項(xiàng)技術(shù)為一個(gè)特殊的市場(chǎng)。
而且ZigBee 網(wǎng)絡(luò)設(shè)備在全球頻段的2.4GHz上工作，能以240kbps的速率發(fā)送數(shù)據(jù)，那些使用915MHz 的美國ISM頻段速率為40kbps，使用868MHz的歐洲ISM頻段速率只達(dá)到20kbps。因此，盡管你想要將設(shè)備移出擁擠的2.4GHz頻段來工作，但較慢的數(shù)據(jù)速率會(huì)以更短的電池壽命使你花費(fèi)更大。
手機(jī)無線網(wǎng)絡(luò)會(huì)給你“無處不在”的連接，但不能提供“永遠(yuǎn)實(shí)時(shí)連接”。一個(gè)可靠的連接也許會(huì)使用專有網(wǎng)絡(luò)和頻率，這意味著就不能依靠低成本的 ZigBee設(shè)計(jì)協(xié)議。智能的自身修復(fù)設(shè)備構(gòu)成了也許不是最昂貴的特殊網(wǎng)絡(luò)。干擾、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渑c設(shè)備協(xié)議等因素都會(huì)對(duì)電池壽命有不良影響。
不利之處
擴(kuò)頻技術(shù)并不能帶來無限可用的帶寬。這些技術(shù)讓發(fā)射機(jī)共享帶寬，但每增加一個(gè)發(fā)射機(jī)都會(huì)降低其它發(fā)射機(jī)的數(shù)據(jù)速率和傳輸范圍。如果所有的發(fā)射機(jī)使用相同的協(xié)議，則對(duì)兩者都會(huì)有影響。2.4GHz ISM 頻段提供了干擾如何使所有的設(shè)備在此頻段上無法工作的例子（參考文獻(xiàn)4）。未經(jīng)批準(zhǔn)的 ISM 頻段在設(shè)計(jì)上就包括了干擾源。這些未批準(zhǔn)的2.4GHz 頻段的開發(fā)人員進(jìn)行這種設(shè)計(jì)，是因?yàn)槲⒉t磁控管在此頻率上工作。這些微波爐對(duì)無線干擾會(huì)有較小但值得重視的影響。更麻煩的是，傳導(dǎo)熱量和融化的硫燈在此頻段中提供了更多與通信無關(guān)的干擾。這些干擾源很受關(guān)注，允許使用的2.4GHz 頻段有很多，由于FCC（美國聯(lián)邦通信委員會(huì)）和其它管理機(jī)構(gòu)允許多協(xié)議，使在某些領(lǐng)域的連接并不可靠。這些協(xié)議包括藍(lán)牙協(xié)議采用的FHSS（跳頻擴(kuò)頻技術(shù)）。女影星兼通信技術(shù)發(fā)明人Hedy Lamarr 在飾演鋼琴師時(shí)發(fā)明了跳頻無線電技術(shù)（圖5 和參考文獻(xiàn) 5）。在二戰(zhàn)期間，她認(rèn)為秘密電臺(tái)通信能在戰(zhàn)爭中起重大作用。她覺得接收機(jī)可以像發(fā)射機(jī)一樣跳到不同的頻率，正如所飾演鋼琴師彈琴鍵一樣她的手指可跳到不同的琴鍵。這種認(rèn)識(shí)實(shí)現(xiàn)了電臺(tái)間可互相通信，并能防止竊聽。
藍(lán)牙協(xié)議將83 MHz 寬的2.4GHz ISM 頻段分成79個(gè)1MHz 的片段。藍(lán)牙設(shè)備可在32個(gè)頻率間以最大1600 次跳/秒的速率跳躍。兩個(gè)并列的藍(lán)牙設(shè)備互相干擾的機(jī)會(huì)只有1/79了。當(dāng)這種情況出現(xiàn)時(shí)，高級(jí)協(xié)議要求系統(tǒng)重新發(fā)送丟失的數(shù)據(jù)包。如果藍(lán)牙設(shè)備跳到ZigBee 或Wi-Fi LAN的頻率中，也會(huì)干擾這些設(shè)備。
客戶無法滿足的帶寬需要促成了能提供11Mbps 速度的802.11b 標(biāo)準(zhǔn)。這些系統(tǒng)使用DSSS 技術(shù)，其中無線電使用83MHz 的22MHz 到2.4GHz ISM 頻段。PRBS（偽隨機(jī)二進(jìn)制序列）相位在該頻段中調(diào)制頻率。與FHSS不同，DSSS 繼續(xù)轉(zhuǎn)變而不是在離散的頻率上跳躍。 手機(jī)實(shí)施DSSS 允許多個(gè)發(fā)射機(jī)在相同的頻段工作?？上?，Wi-Fi LAN使用的11 位Barker 代碼提供了不充足的代碼增益以允許CDMA（碼分多址），盡管高級(jí)協(xié)議實(shí)施了CSMA（載波偵聽多路訪問）。發(fā)射機(jī)檢測(cè)其它發(fā)射機(jī)等待的時(shí)間，直到信道寂靜后，才能開始傳輸。802.11b的帶寬分別只允許三個(gè)到四個(gè)設(shè)備在那些受FCC 和歐洲標(biāo)準(zhǔn)約束的國家中同時(shí)運(yùn)行。如果有最大數(shù)量的設(shè)備在工作，就會(huì)出現(xiàn)對(duì)藍(lán)牙、WirelessUSB、無繩電話和ZigBee 的干擾。
無線USB 可以是在3GHz及更高頻率上的寬帶無線電，但Cypress Semiconductor 還開發(fā)了2.4GHz Wireles sUSB 標(biāo)準(zhǔn)。像藍(lán)牙一樣，這種標(biāo)準(zhǔn)將2.4GHz 頻段分成了79個(gè)1MHz 寬的頻段，Cypress使用DSSS 而不是FHSS 來調(diào)制信號(hào)。連接并不會(huì)跳躍 79 個(gè)頻段，而只在一個(gè)頻段上工作。與這個(gè)實(shí)施相關(guān)的問題是頻率捷變，如果不能在一個(gè)頻率上建立或維持良好的連接，就會(huì)跳到其它頻率。WirelessUSB 的開發(fā)人員將其目標(biāo)定為代替線纜上，它具有較低數(shù)據(jù)速率的HID（人機(jī)接口設(shè)備）。2.4GHz ZigBee協(xié)議將該頻段分成16個(gè)3MHz 寬的信道，每隔5MHz就有一個(gè)。采用DSSS 來調(diào)制信號(hào)，并不在16 個(gè)信道間跳躍，也不提供頻率捷變。無繩電話和嬰兒監(jiān)視器使用2.4GHz ISM 頻段。無繩電話可以使用FHSS 或DSSS。他們一般將2.4GHz 頻段分成10 到20 個(gè)信道。電話很少有頻率捷變，但允許用戶選擇一個(gè)工作信道，以避免噪聲。
圖6 顯示了2.4GHz 頻段中的所有無線電和協(xié)議。如果將頻譜當(dāng)作一個(gè)生態(tài)系統(tǒng)，可以將Wi-Fi 無線局域網(wǎng)視為食物鏈頂部的獅子。它們占用了大量的帶寬，在忙時(shí)會(huì)吞沒該區(qū)域的其它傳輸信號(hào)。藍(lán)牙設(shè)備像昆蟲在其79 個(gè)1MHz 的頻段中游 走。它們到處游蕩并且在不確定的時(shí)間出現(xiàn)，取決于是否有帶耳機(jī)的人行走。如果藍(lán)牙設(shè)備是昆蟲，則ZigBee 就像土撥鼠，不時(shí)抬起頭看看春天是否來到了。它占用了頻段的較寬部分，但使用并不頻繁。由于土撥鼠并不敏捷，且其洞穴總是在相同的頻率上。Cypress WirelessUSB 就像鬣狗，一個(gè)敏捷的獵手，總是翻找清晰的頻率來工作。一旦它發(fā)現(xiàn)了頻率，就停留在那里，連續(xù)地發(fā)出低速率的信息。生態(tài)系統(tǒng)的最大問題是無繩電話。無繩電話就像老虎，可以吞掉一切生物。它們發(fā)送強(qiáng)大的信號(hào)，淹沒了叢林中所有的其它動(dòng)物。因此，幾個(gè)Wi-Fi LAN 生產(chǎn)商建議客戶不要使用無繩電話。未批準(zhǔn)的2.4GHz 頻段并不是無人管理的，F(xiàn)CC只確定了其電源等級(jí)。DSSS與FHSS調(diào)制方案的混合會(huì)對(duì)兩種設(shè)備造成某些問題。
兩種緩和因素為此帶來希望：地區(qū)與某些無線設(shè)備不常使用的傳輸。即使能量較低的藍(lán)牙發(fā)射機(jī)也比20 碼遠(yuǎn)的無線LAN功率大。Dust Networks的工程師正努力克服這兩個(gè)缺點(diǎn)。Dust并不能嚴(yán)格地實(shí)現(xiàn)ZigBee標(biāo)準(zhǔn)，因?yàn)樵摴咎峁┝祟l率捷變，Dust的設(shè)備可跳到不同的ZigBee頻率以獲得一個(gè)清晰的信道。Texas Instruments 也作了類似的努力。該公司在2005 年并購了ZigBee 的先驅(qū) Chipcon。TI的新 ZigBee 發(fā)射機(jī)能以比ZigBee規(guī)范更高的敏感度和選擇性來擴(kuò)展無線電傳播范圍和抑制任何干擾。另一方法是使用一個(gè)不太擁擠的頻段。 所有的ZigBee廠商的設(shè)備可以工作在800MHz 和900MHz 頻段，而不是擁擠的2.4GHz 頻段。較低的頻率可提高傳播范圍。Zarlink 提供了不可移植的無線電芯片ZL70101，使用400MHz 到405MHz 的MICS（ 醫(yī)療植入通信服務(wù)）頻段。設(shè)備以MAC（介質(zhì)訪問控制）提供了800kbps 數(shù)據(jù)速率，其中包括Reed-Solomon編碼FEC（向前糾錯(cuò)）和CRC （循環(huán)冗余校驗(yàn)） 錯(cuò)誤檢測(cè)和重新發(fā)送來實(shí)現(xiàn)可靠的數(shù)據(jù)鏈路。
一個(gè)創(chuàng)新企業(yè)發(fā)現(xiàn)了構(gòu)建光控產(chǎn)品的市場(chǎng)比ZigBee支持者所構(gòu)想的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)更為簡單。PulseSwitch Systems 的光控開關(guān)(Lightning Switch)使用壓電驅(qū)動(dòng)的發(fā)射機(jī)將代碼發(fā)送到500W 交流線路控制器，控制器使用fob與遙控車庫門采用的434MHz 頻率。發(fā)射機(jī)不需要電池，因?yàn)橛脩粼趽軇?dòng)開關(guān)時(shí)即可產(chǎn)生能量。“雖然某些遙控車庫門開啟系統(tǒng)和遙控車閂鎖系統(tǒng)使用了FCC分配的相同頻率，但我們的發(fā)射機(jī)不會(huì)打開別人的車庫或車輛，”PulseSwitch 工程部總監(jiān)Jeff Rogers 說?！拔覀兪褂靡豁?xiàng)獲得專利的ID 代碼系統(tǒng)，與車鎖和遙控車庫門開啟系統(tǒng)所用的方式不同。”有2.68 億個(gè)代碼可供使用，他說，在相同的房間里可以有相同號(hào)的發(fā)射機(jī)接收機(jī)對(duì)，但它們彼此間或與其它工作于ISM頻率上的設(shè)備間不會(huì)互相干擾。
試想有一種應(yīng)用，到了排放檢測(cè)的時(shí)候，DMV （機(jī)動(dòng)車管理局）可以用來與你的車輛通信。車輛就會(huì)采集并傳回污染性能數(shù)據(jù)（無須人為干預(yù)），實(shí)時(shí)通過路況條件和驅(qū)動(dòng)周期數(shù)等。您就不必再去做排放檢測(cè)了。然而，看一看藍(lán)牙技術(shù)應(yīng)用經(jīng)歷了一個(gè)漫長的過程才為人們接受，現(xiàn)在已成為人們生活中必不可少的一部分。EDN 責(zé)任編輯 Ron Wilson 指出，“可以從先驅(qū)者背后的箭頭上認(rèn)出他們?！盧icochet mobile 無線網(wǎng)絡(luò)為沒有成功的早期無線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。M2M 的現(xiàn)實(shí)既不是可憐的失敗也不是巨大的成功，而是處于兩者之間。當(dāng)有些人發(fā)明了殺手級(jí)應(yīng)用時(shí)，我們都會(huì)一拍腦門問道，“ 為什么我沒有想到？”
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