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精细的网状网络:M2M通信中的Wi-SUN

时间:2021-12-29 07:09:46 作者:Soumya Shyamasundar,Silicon Labs无线产品经理 阅读:
Wi-SUN 代表无处不在的无线智能网络,是一种基于 IPv6 的网状网络技术,可为大规模物联网基础设施提供机器对机器的通信。尽管 Wi-SUN 早已于 2013 年问世,但随着监管机构推动电网基础设施现代化,该技术在过去五年中开始受到关注。Wi-SUN 在这方面可以提供帮助,因为它的设计专为满足智能计量、街道照明、智慧城市传感器网络以及其他资产管理应用的复杂需求。
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 Wi-SUN是要求高带宽、低延迟和能效的基础设施网络候选标准。

智慧城市的发展与可持续性密切相关,包括能源管理的优化、改善生活质量的弹性基础设施以及对公共安全的保护。可用资源的利用效率是可持续性发展的关键,也是应对气候变化的重要组成部分。无线技术是推动智慧互联城市发展的核心。特别的是,Wi-SUN 是一种灵活而强大的无线标准,可以经济高效地支持大量的联网设备。它将是开启大规模物联网应用和服务的关键能力。

在过去,智慧城市呈现的情形是由各种不同的专有网络来支持不同的应用需求。在公用事业应用方面,电表由线路供电,而水表和煤气表则由电池供电。智能电表使用高速无线连接,以实时、低延迟的方式将数据传输回电网,而水表和煤气表通常需要能够持续十年的供电电池,因此须使用低功率、远程的连接。这些电池供电的应用连接电表,并依靠它将数据传回公用事业前端的控制中心。因此,这里的电表变成各式各样的集成器,必须仰赖可支持高吞吐量和低延迟的可靠网络。

在智慧城市设施中,路灯类似于电表,可承担中央控制器的角色。路灯是广泛存在的传统市政基础设施,其实现数字化的时机已经成熟。它们正逐渐演变成各种具有传感器节点的数字基础设施的中央控制器,这些传感器节点可用于环境空气质量监测、停车、废物管理、井盖检测等。

这些传感器节点使用远程、低功耗的技术和设备。

Wi-SUN 代表无处不在的无线智能网络,是一种基于 IPv6 的网状网络技术,可为大规模物联网基础设施提供机器对机器的通信。尽管 Wi-SUN 早已于 2013 年问世,但随着监管机构推动电网基础设施现代化,该技术在过去五年中开始受到关注。Wi-SUN 在这方面可以提供帮助,因为它的设计专为满足智能计量、街道照明、智慧城市传感器网络以及其他资产管理应用的复杂需求。

上面的框图显示了Wi-SUN 硬件和堆栈解决方案中的典型组件。

Wi-SUN 最大的资产之一是其自形成网状技术,其中终端节点直接动态连接到邻近几个节点以形成网络。这种应用方法与星形拓扑中常见的中央协调器有所不同。在网状网络中,参与的设备可以相互中继流量,将其传递到下游的多个节点。流量可以顺畅地从一个节点跳到另一个节点。

从规范的角度来看,每个Wi-SUN网状设备最多可支持 24 跳。当流量上行至回程点或边界路由器时,节点通常会选择最短的路径。路由器或回程点最终会借由光纤、Wi-Fi 或蜂窝技术将流量传输到后端系统。在射频拥挤的城市环境中,这种方法变得很重要:即使在非直线视距的情境下,流量也可以重新路由以确保能可靠地使用。因此,Wi-SUN 网状网络容易快速部署,因为它们具有自我形成的能力。

智慧城市的数据安全

智能电网和智慧城市只有在端到端安全性足以保护关键基础设施的数据时才能实用化。  Wi-SUN通过原生的公钥基础设施集成 (PKI) 来指定企业级安全性。PKI 使用两个不同的加密密钥执行加密和解密:公钥和私钥。PKI 为网络上的每个设备提供安全认证和验证能力。集成硬件信任根的 PKI 可确保设备不会被恶意地重新编程,并可证明传入的固件更新有效。

对于可使用多年或数十年的设备,安全性变得更加重要。加密机制可用于 IPv6 架构的各个层。例如,一些加密机制位于第 2 层(IEEE 802.15.4g 或 IEEE 1901.2 上的 AES-128)、第 3 层(IPSEC 协议)和第 4 层(传输安全层协议)。根据目标应用场景的不同,应用层也能够加密。例如,智能电网的 DLMS/COSEM 和智慧城市的 uCIFI 可以执行加密。DLMS/COSEM(IEC 62056、EN13757-1)是智能能源计量、控制和管理的全球标准。uCIFI 是一个开放的统一数据模型,适用于所有智慧城市设备和 uCIFI 网状网络的实施。

Wi-SUN 技术支持三种广泛使用的调制方案——FSK、MR-OQPSK 和 OFDM。当今大多数公用事业部署都使用 FSK,即频移键控。MR-OQPSK(多速率多区域偏移正交相移键控)可带来低功耗、抗噪能力,而 OFDM(正交频分复用)可利用间隔紧密的重叠副载波来最大化频谱效率。OFDM 和 MR-OQPSK 对下一代电表和智慧城市应用都至关重要。

在过去,开发人员经常被迫将同一标准用于网络中的所有应用场景。但是,大量可用的PHY 让智慧城市网络采用混合匹配的方式成为可能。开发人员可以借助 Wi-SUN针对特定应用进行优化,无需构建额外的基础设施。所有智慧城市应用都可以利用一台边界路由器,提供相同的Wi-SUN 网络服务进行回程作业。

同样值得注意的是, Wi-SUN 包含了一个 IP 网络层——IPv6,这是一种有前景的协议,可用于复杂和分布式网络,也是物联网应用的关键推动者。它不仅扩展了整体寻址空间,而且消除了对网络转换器或额外网关的需求,从而简化了集成。此外,由于 IP 是工业网络的汇聚点,因此支持原有 IP 网络的技术成为未来所有部署的筹码。

即将推出的 Wi-SUN 规范版本 FAN 1.1 预计将增加对高吞吐量 PHY 的支持以及针对功能受限设备的特性。它还将管理 PHY 之间的动态开关,使多样新颖的智慧城市应用成为可能。

Wi-SUN 定义了从第 1 层到第 4 层的规范。目前的技术与应用无关,而且须仰赖特定应用场景的应用层,例如用于智能电网的 DLMS/COSEM,以及用于智能城市的 uCIFI 等等。

Wi-SUN 规范来自 Wi-SUN 联盟。Wi-SUN 联盟由物联网基础设施提供商组成,旨在帮助部署基于 IEEE 802.15.4(g)(e)、6LoWPAN 标准的网络。该联盟还帮助产品供应商、芯片供应商、城市、公用事业、政府机构和学术界进行合作。Wi-SUN 联盟拥有来自 40 多个国家的 300 多名成员,他们共同推动规范和认证过程。

Wi-SUN 联盟正在推广安全、灵活、可扩展、可互操作、可持续发展的技术。这些技术将满足未来对高带宽、低延迟和节能网络的要求。Wi-SUN 已准备好迎接这些挑战并建设未来的智慧城市。

责编:Amy Wu

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