多种短程无线通信标准和规范所带来的设计挑战

多种短程无线通信标准和规范所带来的设计挑战

无线选择挑战

典型的物联网 SoC 特性

图 1：如框图所示，Texas Instruments 的 CC26xx 系列 SimpleLink SoC 是无线物联网 SoC 的代表。主处理器是 Arm Cortex-M3，由 Arm Cortex-M0 协处理器支持。（图片来源：Texas Instruments）

一些器件还支持 IPv6 低功耗无线个人局域网 （6LoWPAN），这是互联网工程任务组 （IETF） 基于 802.15.4 PHY 定义的开放标准。6LoWPAN 加入了实现 IPv6 所需的 IP 报头压缩 （IPHC）、802.15.4 PHY 和媒体访问控制 （MAC） 层上的标准 TCP/UDP，并可在 900 兆赫 （MHz）（或更低）以及 2.45 GHz 的频率下工作。

到互联网的上行链路通过 IPv6 边缘路由器来处理，该路由器还连接了多台 PC 和服务器（图 2）。6LoWPAN 网络本身使用自己的边缘路由器连接到 IPv6 网络路由器。

图 2：具有 6LoWPAN 网状网络的 IPv6 网络。到互联网的上行链路由充当 IPv6 路由器的接入点处理，接入点连接到 IPv6 边缘路由器，而路由器还可能连接有多台 PC 和服务器。6LoWPAN 网络使用边缘路由器连接到 IPv6 网络。（图片来源：Texas Instruments）

6LoWPAN 与众不同的一个特征是，它能够在使用标准互联网协议的任何地方提供端到端的数据包传递，这使得设计人员能够在所有应用中使用 MQTT、CoAP 和 HTTP 等高级消息传输协议。

基本协议

目前，尚无 SoC 支持物联网中使用的所有无线协议。对于工业物联网网络的设计人员而言，这并不是特别重要，因为某些协议（例如 Thread 和 Z-Wave）已在消费市场中被广泛采用。这减少了 Zigbee（迄今为止工业物联网中的最流行协议），以及 6LoWPAN 和蓝牙的竞争者。这就是说，任何支持 802.15.4 标准的 SoC 都应能够与 Zigbee、LPWAN、Thread，以及可在相同频段工作的可能专有解决方案一起使用。

对于使用微型电池供电的低功耗边缘设备应用，多协议 SoC 通常不包含 Wi-Fi，因为其功耗较高。在物联网中，Wi-Fi 的主要使用之处是功耗非关键因素的回程和网关到互联网的接入。但是，由于具有高数据传输速率且几乎无处不在，因此当城市升级照明、监控和其他基础设施时，Wi-Fi 是必不可少的。

在 Mighty Gecko 系列中，某些器件支持在 1 GHz 以下工作的网络，允许针对特定应用进行定制，从而支持各种调制方案，例如 OOK、整形 FSK、整形 OQPSK 和 DSSS 调制。

SmartMesh 包含一个自我形成的多跳节点（称为尘埃）网，用于收集和中继数据；以及一个网络管理器，负责协调性能和安全并与主机应用交换数据（图 3）。由于可靠性是 DARPA 项目的核心要求之一，因此即使在恶劣的环境条件下，SmartMesh 仍能够保持 99% 的正常运行时间。其通信协议是一种扩频变体，称为时隙信道跳变 （TSCH），可将网络中的所有尘埃同步到几微秒内。

图 3：在 SmartMesh 网络中，每个节点都充当一个路由器，因此可以在任何点连接新节点。该技术最多支持 50，000 个节点。（图片来源：Analog Devices）

网络中的所有尘埃能够同步到不到 1 毫秒 （ms），并且电池寿命可以超过 10 年。仅需电源去耦、晶体和天线，即可创建一个完整的无线节点。当使用全向 2 dBi 增益天线时，LTC5800-IPM 的典型覆盖范围为室外 300 米 （m） 和室内 100 m。

总结

由于无线协议有很多变型版本，再加上还有一些遗留系统可能需要支持，因此在部署工业物联网时很难选择到合适的无线接口和协议。如上所述，跨多个射频频段支持多个短程无线协议的物联网 SoC 通过为设计人员带来更大的灵活性，而大幅简化了工业物联网的部署。

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