工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)感知層協(xié)議分析與應(yīng)用展望

郭濤 高米翔 韓鵬

摘 要：工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)已在國內(nèi)外引起了非常大的關(guān)注，比如“中國制造2025”以及“德國工業(yè)4.0”。工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)可以分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層以及應(yīng)用層，其中感知層起到了連接物理世界的重要作用。文章通過對工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)感知層主流無線通信協(xié)議進行對比分析，從不同的角度（比如物理層頻率、調(diào)制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)拓撲、網(wǎng)絡(luò)壽命以及實時性等）對比各種協(xié)議的優(yōu)缺點，并對協(xié)議的應(yīng)用領(lǐng)域進行了展望，從而為行業(yè)應(yīng)用提供了參考。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；感知層；無線通信；協(xié)議

中圖分類號：TN915 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2016）06-00-04

0 引 言

2013年4月德國政府在漢諾威工業(yè)博覽會上正式提出 “工業(yè)4.0”，目的是為了在新一輪工業(yè)革命中占領(lǐng)先機。2015年5月中國國務(wù)院公布強化高端制造業(yè)的國家戰(zhàn)略規(guī)劃“中國制造2025”，希望通過新一代信息技術(shù)（云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)）與制造業(yè)融合，提升傳統(tǒng)制造業(yè)水平[1]。不管是德國“工業(yè)4.0”還是“中國制造2025”，都希望將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)深度融入現(xiàn)有工業(yè)系統(tǒng)，提升工業(yè)系統(tǒng)的信息化水平。

工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的架構(gòu)主要分為三個層次：最底層為感知層，中間為網(wǎng)絡(luò)層，最上層為應(yīng)用層[2，3]。感知層主要包括無線傳感器網(wǎng)絡(luò)以及RFID等系統(tǒng)。感知層可以采集到現(xiàn)有工業(yè)系統(tǒng)的物理參數(shù)，通過無線網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)傳遞給網(wǎng)絡(luò)層。網(wǎng)絡(luò)層主要包括現(xiàn)有的有線網(wǎng)絡(luò)或者移動通信網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)層是整個物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的骨干，可以把分布于廣泛區(qū)域的感知層網(wǎng)絡(luò)聯(lián)接起來。應(yīng)用層主要是對底層采集的信息進行集中分析、處理及控制。

目前存在很多現(xiàn)有的感知層無線網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，不同的協(xié)議適用于不同的應(yīng)用場景。本文首先詳細分析了各個協(xié)議 （包括短距離無線通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議以及低功耗廣域網(wǎng)絡(luò)協(xié)議）的技術(shù)特點，然后從不同的維度（頻段、網(wǎng)絡(luò)拓撲、網(wǎng)絡(luò)壽命、實時性等）對比分析了不同無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的優(yōu)缺點以及適用范圍。最后，針對不同行業(yè)的應(yīng)用特點，展望了各種無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的應(yīng)用前景。

1 短距離無線通信網(wǎng)絡(luò)

物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)是一種跟實際應(yīng)用強相關(guān)的系統(tǒng)，特別是在感知層，沒有一種感知層協(xié)議能夠適用于所有的應(yīng)用場景。比如有的應(yīng)用比較適合采用短距離自組織網(wǎng)絡(luò)，而有的應(yīng)用卻適合采用低功耗廣域網(wǎng)絡(luò)。文中將對當(dāng)前主流短距離無線通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進行詳細分析及比較，主要包括ISA100.11a、WirelessHART、WIA-PA以及ZigBee。

1.1 ISA100.11a

ISA100.11a由國際自動化學(xué)會（ISA）下屬的ISA100工業(yè)無線委員會制定，是工業(yè)級無線傳感器網(wǎng)絡(luò)國際標(biāo)準(zhǔn)之一[4]。ISA100.11a于2014年9月獲得國際電工委員會（IEC）的批準(zhǔn)，成為正式國際標(biāo)準(zhǔn)IEC 62734。

ISA100.11a基于IEEE 802.15.4協(xié)議，工作于ISM 2.4 GHz頻段。由于ISA100.11a主要面向工業(yè)自動化領(lǐng)域，可靠性與實時性是協(xié)議設(shè)計之初的重要指標(biāo)。為了達到工業(yè)要求的實時性和可靠性，ISA100.11a在物理層采用了IEEE 802.15.4的 PHY（信道11至信道26），采用O-QPSK調(diào)制方式。在數(shù)據(jù)鏈路層整合了IEEE 802.15.4的MAC層以及跳信道、確定性時隙調(diào)度技術(shù)[5，6]。在數(shù)據(jù)鏈路層提供高可靠性和實時性的基礎(chǔ)上，為了讓ISA100.11a網(wǎng)絡(luò)能夠方便的接入工業(yè)自動化現(xiàn)場現(xiàn)有的IP網(wǎng)絡(luò)，ISA100.11a在網(wǎng)絡(luò)層整合了6lowPAN的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，在網(wǎng)絡(luò)層可以將運行IPv6協(xié)議的骨干網(wǎng)絡(luò)與子網(wǎng)無縫連接與轉(zhuǎn)換。ISA100.11a網(wǎng)絡(luò)層則主要負責(zé)網(wǎng)絡(luò)層幀頭的裝載和解析，數(shù)據(jù)報文的分片和重組，IP幀頭的壓縮等。

憑借著非常高的實時性以及網(wǎng)絡(luò)可擴展性，ISA100.11a目前在工業(yè)自動化現(xiàn)場得到了比較廣泛的應(yīng)用。

1.2 WirelessHART

WirelessHART是HART通訊協(xié)議的擴展，專為工業(yè)環(huán)境中的過程監(jiān)視和控制等應(yīng)用所設(shè)計。WirelessHART于2008年9月19日正式獲得國際電工標(biāo)準(zhǔn)委員會（IEC）的認可，成為國際標(biāo)準(zhǔn)（IEC 62591）。WirelessHART的主要支持廠商包括Emerson、ABB、E+H、Honeywell、Siemens等。

與ISA100.11a類似，WirelessHART的物理層也是基于IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，運行于ISM 2.4 GHz頻段。在物理層方面，直序擴頻（DSSS）以及O-QPSK技術(shù)同樣被采用。由于該協(xié)議主要也是面向工業(yè)自動化領(lǐng)域，在數(shù)據(jù)鏈路層通過整合IEEE 802.15.4的MAC以及在鏈路層采用跳頻和時隙調(diào)度技術(shù)來達到應(yīng)用所要求的實時性和可靠性[5]。在網(wǎng)絡(luò)層，WirelessHART支持MESH路由技術(shù)，但與ISA100.11a不同的是，WirelessHART不支持IPv6技術(shù)，也不像ISA100.11a的子網(wǎng)，會導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)規(guī)模受到一定的限制[7，8]。

與工業(yè)自動化領(lǐng)域的另一個標(biāo)準(zhǔn)ISA100.11a相比，WirelessHART主要有如下幾點區(qū)別：

（1）MESH路由在網(wǎng)絡(luò)層實現(xiàn)，ISA100.11a則在數(shù)據(jù)鏈路層實現(xiàn)；

（2）網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點都有對等的功能（都具有路由能力），ISA100.11a有路由節(jié)點和非路由節(jié)點的區(qū)別；

（3）相比ISA100.11a，WirelessHART的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模較小。

1.3 WIA-PA

WIA-PA（Wireless Networks for Industrial Automation Process Automation，WIA-PA）標(biāo)準(zhǔn)是中國主導(dǎo)制定的工業(yè)無線標(biāo)準(zhǔn)。WIA-PA于2011年正式成為IEC 62601國際標(biāo)準(zhǔn)[9，10]。

與WirelesHART以及ISA100.11a不同的是，WIA-PA為兩層拓撲結(jié)構(gòu)，下層為星型結(jié)構(gòu)，由簇首和簇成員構(gòu)成。上層為MESH結(jié)構(gòu)，由網(wǎng)關(guān)和簇首構(gòu)成。與WirelessHART以及ISA100.11a相同的是，WIA-PA的物理層也是基于IEEE 802.15.4協(xié)議，同樣采用DSSS及O-QPSK技術(shù)。在超幀結(jié)構(gòu)上，WirelessHART與ISA100.11a都沒有采用IEEE 802.15.4的超幀結(jié)構(gòu)。而WIA-PA則采用IEEE 802.15.4的超幀結(jié)構(gòu)。WIA-PA的超幀分為活動期和非活動期。活動期中的競爭接入期主要用于設(shè)備加入以及簇內(nèi)管理，非競爭接入期主要用于節(jié)點與簇首通信。非活動期分為三個部分，一部分用于簇內(nèi)通信，一部分用于簇間通信，另一部分用于休眠。

WIA-PA協(xié)議主要有如下特點：

（1）采用與ISA100.11a以及WirelessHART不一樣的超幀結(jié)構(gòu)；

（2）采用雙層網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)能夠很大程度上將網(wǎng)絡(luò)的調(diào)度以及管理功能分散到簇首節(jié)點，提升網(wǎng)絡(luò)的魯棒性以及運行效率。

1.4 ZigBee

與前面章節(jié)所介紹的三個工業(yè)自動化領(lǐng)域的實時性較好的無線通信協(xié)議不同，ZigBee主要的應(yīng)用場景是那些對實時性要求不高的應(yīng)用（比如家庭自動化等）。ZigBee是由ZigBeeAlliance提出的基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低功耗局域網(wǎng)協(xié)議[11，12]。ZigBee協(xié)議從下到上分別為物理層（PHY）、媒體訪問控制層（MAC）、傳輸層（TL）、網(wǎng)絡(luò)層（NWK）、應(yīng)用層（APL）等。其中物理層和媒體訪問控制層遵循IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定。ZigBee網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點主要有兩種，分別為全功能節(jié)點和半功能節(jié)點。其中全功能節(jié)點具有路由功能，而半功能節(jié)點則沒有。這樣，全功能節(jié)點為了保障網(wǎng)絡(luò)的連通性就不能進入休眠模式，而半功能節(jié)點則在沒有業(yè)務(wù)的情況下可以進入休眠模式。由于全功能節(jié)點不能休眠，會導(dǎo)致ZigBee網(wǎng)絡(luò)的壽命相比前面三個實時性協(xié)議而言短很多。

ZigBee協(xié)議主要有如下特點：

（1）采用IEEE802.15.4物理層以及MAC層技術(shù)；

（2）主要采用CSMA技術(shù)；

（3）網(wǎng)絡(luò)層采用源路由技術(shù)；

（4）不能保證實時性。

2 低功耗廣域網(wǎng)絡(luò)

與短距離無線通信網(wǎng)絡(luò)使用多跳自組織網(wǎng)絡(luò)不同，低功耗廣域網(wǎng)絡(luò)主要采用星型網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)。本章將對三種主要協(xié)議進行介紹，其中包括LoRa、SigFox及NB-IoT。

2.1 LoRa

LoRa是由LoRa Alliance發(fā)起的一個低功耗廣域網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。目前，LoRa得到了比較廣泛的應(yīng)用，比如法國運營商布依格的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用將使用LoRa技術(shù)。LoRa在物理層使用DSSS以及FSK調(diào)制技術(shù)。支持0.3 Kb/s至50 Kb/s的數(shù)據(jù)傳輸速率，對于需要長時間共享小量數(shù)據(jù)的智能終端來說非常適用。相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，LoRa終端僅靠電池就可維持在網(wǎng)時間達10年之久。

LoRaWAN的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)是一個典型的星狀網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)關(guān)通過標(biāo)準(zhǔn)的IP連接到網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，終端設(shè)備通過單跳的無線網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)關(guān)通信。通過自適應(yīng)速率技術(shù)，LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)可以自動調(diào)節(jié)速率以及射頻輸出功率以最大化電池壽命。LoRaWAN網(wǎng)絡(luò)主要有三類設(shè)備：

Class A：終端下行傳輸跟隨在上行傳輸之后。

Class B：除了A類終端的隨機下行傳輸時隙之外，網(wǎng)關(guān)還為終端調(diào)度了專用的下行傳輸時隙。

Class C：終端一直有下行傳輸時隙，當(dāng)有上行傳輸終止命令時才會停止。

三類不同的終端類型適用于不同的應(yīng)用場景。比如對于典型的下載類應(yīng)用，類型C終端就比較適合。

2.2 SigFox

SigFox是創(chuàng)立于法國的一家物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)業(yè)公司所提出的一個私有協(xié)議。目前已經(jīng)得到很多運營商的支持，并且在歐美多個城市部署了大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)。與現(xiàn)有的其他低功耗廣域無線通信協(xié)議不同的是，SigFox使用UNB（超窄帶）通信技術(shù)，極大地降低了終端的成本。同時，其具有功耗小、覆蓋范圍大的特點。

Sigfox的網(wǎng)絡(luò)在結(jié)構(gòu)上屬于星型網(wǎng)絡(luò)，在有數(shù)據(jù)需要傳輸?shù)那闆r下才建立連接。SigFox工作于ISM頻段，用戶可以根據(jù)每個國家的實際情況進行部署，比如在歐洲可以使用868 MHz，而在美國可以使用915 MHz。

在市郊場景下，一個SigFox基站可以達到30至50公里的覆蓋范圍，而在城市場景下，也可以達到3至10公里的覆蓋范圍。

SigFox的通信安全通過如下幾種方式來保證：anti-replay， message scrambling， sequencing， etc.

Sigfox的最大優(yōu)點之一是簡化了天線設(shè)計，同時降低了終端以及網(wǎng)絡(luò)的成本。

2.3 NB-IoT

2015年9月，NB-IoT（Narrow Band – Internet of Things，NB-IoT）協(xié)議正式在3GPP立項，預(yù)計會在2016年上半年完成。與其它幾種LoRaWAN協(xié)議不同，NB-IoT運行于Licensed頻段。NB-IoT主要面向廣覆蓋、低功耗、低成本以及大規(guī)模接入的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。目前參與討論和制定的主要有運營商以及電信設(shè)備制造商，包括沃達豐、中國移動、中國聯(lián)通、華為、高通、愛立信等。

NB-IoT主要由華為主導(dǎo)的NB-CIoT以及愛立信主導(dǎo)的NB-LTE融合而成。NB-CIoT與NB-LTE在時隙設(shè)計、信道設(shè)計方面存在差異。在物理層方面，NB-CIoT上下行的帶寬都是200 kHz，其中下行48個子載波，上行36個子載波，下行使用OFDMA技術(shù)，而上行使用FDMA技術(shù)。NB-LTE下行使用OFDMA技術(shù)，上行使用SC-FDMA技術(shù)[13]。

3 協(xié)議比較

前面章節(jié)對幾種短距離無線通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議以及低功耗廣域網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進行了基本介紹。每個協(xié)議有它自己的設(shè)計應(yīng)用場景，即有各自的優(yōu)缺點。在本章將會對它們分不同的角度進行比較。詳細特點對比見表1所列。

（1） 頻段：除了NB-IoT運行于Licensed頻段之外，其它所有協(xié)議都設(shè)計運行于ISM頻段。

（2）調(diào)制技術(shù)：四個短距離通信協(xié)議由于都采用了IEEE 802.15.4協(xié)議所支持的DSSS以及O-QPSK。LoRA采用了DSSS以及FSK調(diào)制技術(shù)。Sigfox則采用超窄帶配合DBPSK調(diào)制技術(shù)。NB-IoT主要采用8PSK調(diào)制技術(shù)。調(diào)制技術(shù)的選擇會直接影響到網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍。

（3）最大速率：短距離通信協(xié)議的速率相比低功耗廣域網(wǎng)的速率要高。幾個短距離通信協(xié)議由于都是基于IEEE 802.15.4，最大速率都能達到250 Kb/s。對速率要求比較高的應(yīng)用，比如視頻傳輸，就不太適合選用SigFox協(xié)議。

（4） MAC：為了達到良好的實時性，工業(yè)自動化領(lǐng)域的三個短距離通信協(xié)議都采用了CSMA/TDMA/FDMA的混合技術(shù)。低功耗廣域網(wǎng)協(xié)議由于主要是面向非實時性應(yīng)用，在MAC層則主要采取CSMA的方式。

（5） 實時性：由于ISA100.11a、WirelessHART以及WIA-PA都采用了確定性時隙調(diào)度技術(shù)，在鏈路層可以達到比較高的實時性。

（6）網(wǎng)絡(luò)拓撲：短距離自組織網(wǎng)絡(luò)都支持兩種網(wǎng)絡(luò)拓撲，Mesh以及Star。而低功耗廣域網(wǎng)絡(luò)則都是Star。

（7）電池壽命：文章所提到的物聯(lián)網(wǎng)協(xié)議都能夠有比較長的電池壽命，除了ZigBee由于全功能節(jié)點無法休眠導(dǎo)致壽命縮短。

（8）路由：低功耗廣域網(wǎng)絡(luò)由于都是星型拓撲因此并不需要路由協(xié)議。幾個短距離通信協(xié)議都支持源路由。其中，ISA100.11a在數(shù)據(jù)鏈路層實現(xiàn)，而其他三個短距離協(xié)議則在網(wǎng)絡(luò)層實現(xiàn)。

（9）最大覆蓋：ISA100.11a的覆蓋主要由子網(wǎng)個數(shù)決定，部署的子網(wǎng)個數(shù)越多，所能支持的覆蓋就越大。其他三個短距離協(xié)議的覆蓋主要由網(wǎng)絡(luò)跳數(shù)決定。

（10）維護性：短距離通信協(xié)議雖然在部署方面比較簡單，但是由于多跳網(wǎng)絡(luò)的存在造成了維護難度的增加。相比之下，低功耗廣域網(wǎng)都是星型網(wǎng)絡(luò)，可維護性都比較強。

對于不同的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，應(yīng)該根據(jù)實際需求選擇相應(yīng)的協(xié)議。比如在一些工業(yè)自動化應(yīng)用中，采集的參數(shù)以及控制命令都需要進行實時傳輸，在這種情況下，選擇ISA100.11a、WirelessHART或者WIA-PA比較合適。如果應(yīng)用的需求是采集一些對實時性要求不高的參數(shù)，則可以選擇ZigBee協(xié)議。但是ZigBee協(xié)議目前存在一個比較大的弱點，即在組成Mesh網(wǎng)絡(luò)后，路由節(jié)點由于需要維護網(wǎng)絡(luò)的連通性，不能進入休眠狀態(tài)，導(dǎo)致節(jié)點的壽命會有所下降。對于那些數(shù)據(jù)量非常小的應(yīng)用，比如家庭抄表，一個星期甚至一個月才有很小量的數(shù)據(jù)發(fā)送，并且電表水表都在大樓內(nèi)，對信號的穿墻能力要求比較高，這種應(yīng)用場景則比較適合于選擇LoRa、Sigfox或者NB-IoT協(xié)議，因為這三個低功耗廣域網(wǎng)絡(luò)協(xié)議都有很大的鏈路預(yù)算。

4 結(jié) 語

本文首先詳細分析了兩類協(xié)議（短距離無線通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議以及低功耗廣域網(wǎng)絡(luò)協(xié)議）的技術(shù)特點，其中短距離無線通信網(wǎng)絡(luò)協(xié)議主要包括ISA100.11a、WirelessHART、WIA-PA以及ZigBee。低功耗廣域網(wǎng)絡(luò)協(xié)議主要包括LoRa、SigFox以及NB-IoT。分別從不同的維度（頻段、最大速率、網(wǎng)絡(luò)拓撲、網(wǎng)絡(luò)壽命、實時性等）對比分析了不同無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的優(yōu)缺點以及適用范圍。根據(jù)協(xié)議的特點，ISA100.11a、WirelessHART及WIA-PA比較適合于空曠的工業(yè)自動化實時應(yīng)用場景，因為他們有較好的實時性以及電池壽命。ZigBee則適用于對實時性要求不高并且方便給全功能節(jié)點更換電池或者提供電源供電的應(yīng)用場景，比如智能家居。而低功耗廣域網(wǎng)絡(luò)則比較適合應(yīng)用于城市的智能抄表應(yīng)用或者野外的參數(shù)監(jiān)控，比如野外石油管道、森林火災(zāi)監(jiān)控等。總之，根據(jù)不同行業(yè)的應(yīng)用特點，需要根據(jù)不同的實際應(yīng)用需求選擇合適的通信協(xié)議方案。

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