跳频与扩频：无线机器对机器接口

作者：Paul Rako

欢迎访问e展厅 展厅 2 手机/通信/网络设备展厅 手机, 调制解调器, 网管控制器, 光传输系统, 程控交换机, ... 无线机器对机器接口代表了计算机发展的第三次浪潮。第一次浪潮是企业计算机、昂贵的主机以及只有大企业才有能力购买的超级计算机。这一阶段为上世纪的六十和七十年代。第二次计算机浪潮开始于1981 年，当时IBM 推出了个人计算机(PC)。这一时期为上世纪的八十和九十年代。新世纪带来了第三次计算机浪潮。在此期间成本降低、新技术不断涌现，使计算机中采用嵌入式处理器及无线通信像烤箱一样普及。这些处理器独立工作时可提供特定的功能，但当它们在无人为干预时，自身间相互通信时作用更大。随着小型廉价计 算机的发展，无线技术应运而生。无线移动电话技术的出现领导了这些进步技术。这些技术包括用于手机的无线网络和增长迅速的无线热点现象（图1）。 尽管M2M (机器对机器) 成了当今销售领域最流行的词，其前身无线M2M 技术早在十年前就出现了。一个已经不为人们感兴趣的术语是“遥测技术”。早期的太空计划使用无线遥测技术从太空船中向NASA 发送数据，并将控制信号返回到太空船，无需人为干预。军用频率的分配方便了NASA的工作。较高的功率级别确保了可靠的通信。最近，设计人员将空间遥测技术概念应用于车辆中，如F1赛车。车载计算机可以从车辆上将数据发送到赛道旁的计算机中，后者可自动调节空气燃油比和其它参数使赛车达到最佳性能。其它无线网络应用包括当自动售货机缺少货物或需要维护时，用“call home” 手机向管理中心报告情况。在汽车领域，术语 “telematics”（无线数据通信系统）替代了过时的词“遥测技术。”Telematics 涵盖了娱乐、导航及紧急情况使用。General Motors 率先利用此概念研制出了OnStar service。该无线数据通信系统包括功能强大的手机、车载娱乐和导航系统。可实时下载交通路况报告，允许用户报告紧急情况或请求援助。由于手机从汽车电池接受电源，且天线不需安装到小型的手机上，使系统连接能力超出了手机连接的能力。 因为M2M 无线网络代表了几个新兴技术间的融合，如扩频无线、嵌入式处理器、网络路由协议，以及很多其它市场大肆宣传的新技术。这种新技术宣称利用无线网络将实现灯开关与冰箱间的通信。这种思路是推动M2M发展的一种极富想象力的结果。Internet 先驱Tim Berners-Lee 曾经表明：“机器能够分析所有Web的数据，内容、链接、及人与计算机间的事务处理。可以实现此目标的“Semantic Web”（语义网）还未出现。但当其真正出现时，通过机器间对话就可处理常见的交易、必须做的繁琐事、以及我们的日常生活，人只要提供灵感和判断就可以了”（参考文献1）。这番评论的范围和观念巩固了 Berners-Lee的作为天才和卓越的思想家地位。问题是无人知道，什么是无线M2M 网络杀手级应用？尽管Berners-Lee 和其它人并不担心这个问题，但在无线连接机器的构想与工程实现此目标之间还有很多未解决的问题。 未来主义者及权威人士构想了一个M2M 网络，其中机器连接到Internet上。这种情况的问题是它要求机器中的嵌入式系统不但要有无线模块，而且要有针对TCP/IP （传输控制协议/Internet 协议）的协议堆栈和硬件。这种情况会造成这样的问题：如何分配IP 地址给所有这些设备，然后提供DNS（域名服务器）或其它方式来寻找使用这些设备。Panasonic 把具有hard-IP 地址的网络摄像头构建到企业运营的服务器。如果你购买了摄像头，就可以通过浏览器导航进入该网址，服务器可在摄像头和你的浏览器之间建立路由。这种方法充其量是有点笨拙。某些研究人员提出一种方案，即随机地分配IP 地址到各部分设备中（参考文献1）。他们指出IPv6 (IP 版本 6) 提供了2128 个地址，足够在每平方米地面上容纳6.61023 个设备。 较大片的无线M2M 网络作为子网存在于Web中，通常没有路由或IP。要从Web 获取数据到子网中，需要安装路由器和网关。所有这些现实情况都有悖于每个无线 M2M网络节点价格低于2美元、都能连接到Web的宣传。凭自身能力而完善的计算机路由器和网关会抵消任何网络的低成本优势。仅在几年前，人们还认为蓝牙会消除小轿车、桌面及工作台上的所有线缆。但实际上，蓝牙作为一种无线耳机支持技术，还是有两英尺尾巴——从你的腰带连到耳朵上。无线网络的现状包括高成本的编写与标准化高级协议，以使这些设备寻找并连接其它设备。当工程师们达到该目标后，他们认识到这些设备需要安全性，否则任何人都可窥探你的PDA 或手机。任何特别的或自我安排的无线M2M 系统都必须处理好这些问题。这些令人好奇的实验室新鲜玩意，对于只出于纯粹的破坏欲而破坏你的数据的青少年并没有多大用处。 让我们来看看M2M无线网络的好处与不利之处。M2M无线设备现在不是使用原有的手机网络就是使用新兴的ISM网络，后者使用800MHz、900MHz、及2.4GHz 频段。在不远的将来，运行在10GHz到20GHz的批准频段及未批准的2GHz到11GHz 频段的WiMax 网络将会是主要的趋势。手机企业和计算机巨头，如 Intel，也在关注着50MHz 到200MHz的模拟TV 带宽。这些频段的低频允许设备以较低的功耗达到较长信号传播距离，而且无论风雨，都不会影响其接收效果。尽管WiMax正在增长，但毕竟还只是未来的技术。如今两种占优势的无线技术是 手机与IEEE 802-style ISM技术。 手机网络有传播距离长和部署广泛的优势。许多现场应用工程师很难找到无线IEEE 802 热点，但公司给他们Verizon 和AT&T PC 卡后，就可以通过手机系统连接到Web。他们就可以从美国的任何地点检查并发送电子邮件。使用手机网络的M2M 网络也会有相同的优势。结果，移动和远程应用，如OnStar 和长途运输车队，通过将一个GPS (全球定位系统) 接收机添加到无线模块上来监测车辆位置，采用了基于峰窝的连接。此特性帮助车队主人分析路线，并有监测能力来检查驾驶人员的行为。同样，一个桥接结构中可使用传感器来监测应力、流量及降级等。这些传感器可连接到维护与公路控制计算机系统，当出现地震或事故，如结构损坏时，提供紧急情况警告。这些基于手机的系统成本高、功耗大。无线模块的成本由于消费者手机的普及而迅速下降。但使用网络的成本仍然很高，原因是由于电讯公司掠夺性的定价模式：按连接或分钟收费，而M2M 系统一般只需发送几个字节的数据。 另一种IEEE802类型的M2M网络，在欧洲以类似ISM 的800MHz频率工作，在美国以900MHz工作，在全球以2.4GHz工作 （图2）。另外，专有网络可在其它频段工作，如遥控车库门和遥控车锁使用的434MHz，进行可靠通信的医疗频段等。这类网络中我们最熟悉的标准为ZigBee。它使用标准化的协议，允许以较小的电池驱动设备进行通信。一些ZigBee支持者宣称电池采用10 年寿命的技术，但5年或2年的寿命更为实际。这些网络最大的问题是干扰与电池寿命问题。由于2.4GHz 为未批准频段，对在同一区域内可使用多少发射机并没有限制（图3）。还有些ZigBee支持者宣称几种802型的网络可以共存，但网络的成功也是他们的失败。如果世界充满了2.4GHz的发射机，有效的通信半径就会缩短到几英尺，甚至这种技术会严重影响到数据传输速率。EDN高级技术编辑Brian Dipert在测试无线话筒系统时指出了这种现象（参考文献2）。使用无线话筒会造成802.11无线Wi-Fi （无线高保真） LAN 停止工作或仅以50% 数据速率实现连接。 尽管担心干扰问题，某些成功的M2M 应用还是采用了这些ISM 无线协议。Verifone的销售终端 （POS）使用Connect One的iChip IP-controller 芯片，以便无线LAN可连接到信用卡公司来对购买行为进行授权。好处是加快了交易速度。嵌入式调制解调器需要很多秒的时间才能拨通一个电话号码、建立通信、建立加密，并实现对一个16 位的信用卡号码授权。无线系统可以更快地执行这些任务，不需要将电话线路或以太网连接到收银机。因为它们使用网络连接，所有大型商场中的收银机可同时访问信用卡授权服务器，而不必等待空闲的线路。这种技术非常适合于需要快速支付的场合，如速冻食品柜台及地铁售票亭。在这些情况下，收银机都有IP地址并连接到Internet。 将设备直接连接到Internet 并非总是必须的。ZigBee的支持者正在将数以十计、百计甚至上千个传感器连接到一个中央节点或协调器上。如果需要从Internet发送或接收数据，可以安装一个网关。尽管ZigBee 网不是常规的子网，并使用分组路由及其它复杂技术来将数据在同类设备之间路由或路由到中央协调器。传统的ZigBee 应用为HVAC （供暖/通风/空调）和建筑物中灯光控制，以及工厂或现场的数据采集。一个巧妙的应用是将ZigBee 节点嵌入到道路中的反射凸点上（图4）。这些节点可以实时地监测并报告停车场地实时利用情况，允许采集数据，判断是否有人向汽车停放收费机交钱（参考文献3）。尽管某些工业参与者将RFID 方案纳入无线M2M 网络，其它一些人还是认为该项技术为一个特殊的市场。 要更好地理解无线M2M 网络的特性与缺点，切记模拟设计原则应用在两个关键领域：网络的实际无线通信与高级系统设计。在这方面，不能迷信所有营销人员的宣传，而期望你的系统会达到那种水平。高速CMOS 的发展使 2 美元的无线电可行，但那是ZigBee类型的 802.15.4 无线电，而不是能使用手机网络的无线电。而且，如果想要在Internet上使用无线设备，必须购买足够容纳TCP/IP 堆栈的处理器，还要提供一种分配与路由IP 地址的方法。厂商们也很关心如何延长电池寿命。无线设备在网状网络中将数据从终端设备传送到网状网络的周边。该功能会影响更靠近网状网络中心设备的电池寿命。另外，特殊的网络必须要使用大量的资源来确定及集成新的设备到网络中。如果设备不能在已有的网状网络路径中路由，必须要进行协调并建立一个新的路径。这些工作用尽了电池资源。虽然情况不妙，但电池使用不需要在整个网络内保 持一致，即某些设备需要比其它设备更快地更换电池。或者用户会放弃部分放电的电池，因为系统维护过程会决定，按最严重的设备电池消耗在定期的间隔内更换网状网络中所有的电池。 而且ZigBee 网络设备在全球频段的2.4GHz上工作，能以240kbps的速率发送数据，那些使用915MHz 的美国ISM频段速率为40kbps，使用868MHz的欧洲ISM频段速率只达到20kbps。因此，尽管你想要将设备移出拥挤的2.4GHz频段来工作，但较慢的数据速率会以更短的电池寿命使你花费更大。 手机无线网络会给你“无处不在”的连接，但不能提供“永远实时连接”。一个可靠的连接也许会使用专有网络和频率，这意味着就不能依靠低成本的 ZigBee设计协议。智能的自身修复设备构成了也许不是最昂贵的特殊网络。干扰、网络拓扑与设备协议等因素都会对电池寿命有不良影响。 不利之处 扩频技术并不能带来无限可用的带宽。这些技术让发射机共享带宽，但每增加一个发射机都会降低其它发射机的数据速率和传输范围。如果所有的发射机使用相同的协议，则对两者都会有影响。2.4GHz ISM 频段提供了干扰如何使所有的设备在此频段上无法工作的例子（参考文献4）。未经批准的 ISM 频段在设计上就包括了干扰源。这些未批准的2.4GHz 频段的开发人员进行这种设计，是因为微波炉磁控管在此频率上工作。这些微波炉对无线干扰会有较小但值得重视的影响。更麻烦的是，传导热量和融化的硫灯在此频段中提供了更多与通信无关的干扰。这些干扰源很受关注，允许使用的2.4GHz 频段有很多，由于FCC（美国联邦通信委员会）和其它管理机构允许多协议，使在某些领域的连接并不可靠。这些协议包括蓝牙协议采用的FHSS（跳频扩频技术）。女影星兼通信技术发明人Hedy Lamarr 在饰演钢琴师时发明了跳频无线电技术（图5 和参考文献 5）。在二战期间，她认为秘密电台通信能在战争中起重大作用。她觉得接收机可以像发射机一样跳到不同的频率，正如所饰演钢琴师弹琴键一样她的手指可跳到不同的琴键。这种认识实现了电台间可互相通信，并能防止窃听。 蓝牙协议将83 MHz 宽的2.4GHz ISM 频段分成79个1MHz 的片段。蓝牙设备可在32个频率间以最大1600 次跳/秒的速率跳跃。两个并列的蓝牙设备互相干扰的机会只有1/79了。当这种情况出现时，高级协议要求系统重新发送丢失的数据包。如果蓝牙设备跳到ZigBee 或Wi-Fi LAN的频率中，也会干扰这些设备。 客户无法满足的带宽需要促成了能提供11Mbps 速度的802.11b 标准。这些系统使用DSSS 技术，其中无线电使用83MHz 的22MHz 到2.4GHz ISM 频段。PRBS（伪随机二进制序列）相位在该频段中调制频率。与FHSS不同，DSSS 继续转变而不是在离散的频率上跳跃。 手机实施DSSS 允许多个发射机在相同的频段工作。可惜，Wi-Fi LAN使用的11 位Barker 代码提供了不充足的代码增益以允许CDMA（码分多址），尽管高级协议实施了CSMA（载波侦听多路访问）。发射机检测其它发射机等待的时间，直到信道寂静后，才能开始传输。802.11b的带宽分别只允许三个到四个设备在那些受FCC 和欧洲标准约束的国家中同时运行。如果有最大数量的设备在工作，就会出现对蓝牙、WirelessUSB、无绳电话和ZigBee 的干扰。 无线USB 可以是在3GHz及更高频率上的宽带无线电，但Cypress Semiconductor 还开发了2.4GHz Wireles sUSB 标准。像蓝牙一样，这种标准将2.4GHz 频段分成了79个1MHz 宽的频段，Cypress使用DSSS 而不是FHSS 来调制信号。连接并不会跳跃 79 个频段，而只在一个频段上工作。与这个实施相关的问题是频率捷变，如果不能在一个频率上建立或维持良好的连接，就会跳到其它频率。WirelessUSB 的开发人员将其目标定为代替线缆上，它具有较低数据速率的HID（人机接口设备）。2.4GHz ZigBee协议将该频段分成16个3MHz 宽的信道，每隔5MHz就有一个。采用DSSS 来调制信号，并不在16 个信道间跳跃，也不提供频率捷变。无绳电话和婴儿监视器使用2.4GHz ISM 频段。无绳电话可以使用FHSS 或DSSS。他们一般将2.4GHz 频段分成10 到20 个信道。电话很少有频率捷变，但允许用户选择一个工作信道，以避免噪声。 图6 显示了2.4GHz 频段中的所有无线电和协议。如果将频谱当作一个生态系统，可以将Wi-Fi 无线局域网视为食物链顶部的狮子。它们占用了大量的带宽，在忙时会吞没该区域的其它传输信号。蓝牙设备像昆虫在其79 个1MHz 的频段中游 走。它们到处游荡并且在不确定的时间出现，取决于是否有带耳机的人行走。如果蓝牙设备是昆虫，则ZigBee 就像土拨鼠，不时抬起头看看春天是否来到了。它占用了频段的较宽部分，但使用并不频繁。由于土拨鼠并不敏捷，且其洞穴总是在相同的频率上。Cypress WirelessUSB 就像鬣狗，一个敏捷的猎手，总是翻找清晰的频率来工作。一旦它发现了频率，就停留在那里，连续地发出低速率的信息。生态系统的最大问题是无绳电话。无绳电话就像老虎，可以吞掉一切生物。它们发送强大的信号，淹没了丛林中所有的其它动物。因此，几个Wi-Fi LAN 生产商建议客户不要使用无绳电话。未批准的2.4GHz 频段并不是无人管理的，FCC只确定了其电源等级。DSSS与FHSS调制方案的混合会对两种设备造成某些问题。 两种缓和因素为此带来希望：地区与某些无线设备不常使用的传输。即使能量较低的蓝牙发射机也比20 码远的无线LAN功率大。Dust Networks的工程师正努力克服这两个缺点。Dust并不能严格地实现ZigBee标准，因为该公司提供了频率捷变，Dust的设备可跳到不同的ZigBee频率以获得一个清晰的信道。Texas Instruments 也作了类似的努力。该公司在2005 年并购了ZigBee 的先驱 Chipcon。TI的新 ZigBee 发射机能以比ZigBee规范更高的敏感度和选择性来扩展无线电传播范围和抑制任何干扰。另一方法是使用一个不太拥挤的频段。 所有的ZigBee厂商的设备可以工作在800MHz 和900MHz 频段，而不是拥挤的2.4GHz 频段。较低的频率可提高传播范围。Zarlink 提供了不可移植的无线电芯片ZL70101，使用400MHz 到405MHz 的MICS（ 医疗植入通信服务）频段。设备以MAC（介质访问控制）提供了800kbps 数据速率，其中包括Reed-Solomon编码FEC（向前纠错）和CRC （循环冗余校验） 错误检测和重新发送来实现可靠的数据链路。 一个创新企业发现了构建光控产品的市场比ZigBee支持者所构想的网状网络更为简单。PulseSwitch Systems 的光控开关(Lightning Switch)使用压电驱动的发射机将代码发送到500W 交流线路控制器，控制器使用fob与遥控车库门采用的434MHz 频率。发射机不需要电池，因为用户在拨动开关时即可产生能量。“虽然某些遥控车库门开启系统和遥控车闩锁系统使用了FCC分配的相同频率，但我们的发射机不会打开别人的车库或车辆，”PulseSwitch 工程部总监Jeff Rogers 说。“我们使用一项获得专利的ID 代码系统，与车锁和遥控车库门开启系统所用的方式不同。”有2.68 亿个代码可供使用，他说，在相同的房间里可以有相同号的发射机接收机对，但它们彼此间或与其它工作于ISM频率上的设备间不会互相干扰。 试想有一种应用，到了排放检测的时候，DMV （机动车管理局）可以用来与你的车辆通信。车辆就会采集并传回污染性能数据（无须人为干预），实时通过路况条件和驱动周期数等。您就不必再去做排放检测了。然而，看一看蓝牙技术应用经历了一个漫长的过程才为人们接受，现在已成为人们生活中必不可少的一部分。EDN 责任编辑 Ron Wilson 指出，“可以从先驱者背后的箭头上认出他们。”Ricochet mobile 无线网络为没有成功的早期无线网状网络。M2M 的现实既不是可怜的失败也不是巨大的成功，而是处于两者之间。当有些人发明了杀手级应用时，我们都会一拍脑门问道，“ 为什么我没有想到？” 参考文献 1. Gershenfeld, Neil, and Danny Cohen, “Internet ?:Interdevice Internetworking,” The MIT Center for Bits and Atoms, Sun Microsystems, Aug 14, 2006. 2. Dipert, Brian, “Rocketfish:Spectrum Shark,” EDN, May 6, 2007. 3. Van Horn, John, “System Data Show Half of Meter Income Goes Uncollected,” Parking Today, pg 24, March 2007. 4. Burns, John, Richard Rudd, and Zoran Spasojevic, “Compatibility between 无线 communication & ISM systems in the 2.4 GHz frequency band,” Aegis Inc, June 24, 1999. 5. Markey, Hedy, and George Antheil, Secret Communications System, Patent 2,292,387, August 1942. (end)

文章内容仅供参考 (投稿) (5/27/2008)