一文讀懂Wi-SUN前世今生 wi-sun物理層標(biāo)準(zhǔn)和Wi-SUN FAN典型架構(gòu)等

Wi-SUN的起源

Wi-SUN，全稱為Wireless Utility Networks，中文翻譯為智能無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，是一系列基于IEEE 802.15.4為底層協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)稱，主要包括Wi-SUN FAN（Wireless Utility Field Area Network）和Wi-SUN HAN（Wireless Home Area Network）。

早在2008年以前，在業(yè)界中沒(méi)有統(tǒng)一的廣域物聯(lián)網(wǎng)無(wú)線通信標(biāo)準(zhǔn)，而當(dāng)時(shí)行業(yè)中卻存在各式各樣的廣域物聯(lián)網(wǎng)通信協(xié)議，這些協(xié)議的相同之處是使用IEEE發(fā)布的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)802.15.4，但在應(yīng)用層卻無(wú)法實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通。為了解決這一個(gè)復(fù)雜的問(wèn)題，基于IP技術(shù)的大規(guī)模廣域無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)應(yīng)運(yùn)而生，簡(jiǎn)稱Wi-SUN FAN（Wireless Utility Field Area Network）,該標(biāo)準(zhǔn)致力于成為全球的無(wú)線網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)并具備互操作性。伴隨著標(biāo)準(zhǔn)的落地，負(fù)責(zé)標(biāo)準(zhǔn)建立及應(yīng)用推廣的組織為Wi-SUN聯(lián)盟，同時(shí)聯(lián)盟承擔(dān)著對(duì)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行維護(hù)和互操作性的承認(rèn)工作。對(duì)于IEEE 802.15.4規(guī)范，Wi-SUN聯(lián)盟以及終端產(chǎn)品的關(guān)系，可以對(duì)比Wi-Fi進(jìn)行深刻理解。

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Wi-SUN和Wi-Fi對(duì)比

IEEE 802.15.4：Wi-SUN的基礎(chǔ)規(guī)范，應(yīng)用于Wi-SUN標(biāo)準(zhǔn)的底層協(xié)議PHY和MAC中；

Wi-SUN聯(lián)盟：建立及維護(hù)Wi-SUN標(biāo)準(zhǔn)，負(fù)責(zé)標(biāo)準(zhǔn)的推廣和應(yīng)用邏輯，以及對(duì)嵌入Wi-SUN協(xié)議的產(chǎn)品之間互操作性進(jìn)行承認(rèn)；

終端設(shè)備：嵌入Wi-SUN協(xié)議的終端設(shè)備，設(shè)備之間可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的互通。

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Wi-SUN標(biāo)準(zhǔn)簡(jiǎn)介

Wi-SUN標(biāo)準(zhǔn)主要包含兩個(gè)子規(guī)范，分別是FAN和HAN，其中技術(shù)區(qū)別及應(yīng)用場(chǎng)景分別如下：

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FAN

1.支持IEEE 802.15.4g的PHY層，IEEE 802.15.4e的MAC層，6LoWPAN，RPL，IPv6等標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議；

2.支持?jǐn)?shù)據(jù)在節(jié)點(diǎn)之間多跳傳輸；

3.支持多信道的跳頻傳輸；

4.支持AES加密和基于802.1x的身份驗(yàn)證；

5.主要應(yīng)用在需要多跳傳輸?shù)闹悄鼙碛?jì)，智慧路燈等密集的城市網(wǎng)絡(luò)；

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HAN

1.支持IEEE 802.15.4g的PHY層，IEEEE 802.15.4e的MAC層，6LoWPAN和IPv6等標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議；

2.節(jié)點(diǎn)之間進(jìn)行一對(duì)一或一對(duì)多的數(shù)據(jù)傳輸；

3.支持AES加密和基于802.1x的身份驗(yàn)證；

4.主要應(yīng)用在家庭應(yīng)用場(chǎng)景，利用中心節(jié)點(diǎn)和家庭中各種設(shè)備進(jìn)行一對(duì)一或一對(duì)多通信；

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FAN和HAN應(yīng)用場(chǎng)景案例

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Wi-SUN FAN典型架構(gòu)

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應(yīng)用框架

Wi-SUN FAN的典型應(yīng)用架構(gòu)如圖3所示，其中FAN層為嵌入Wi-SUN FAN Stack的智能設(shè)備以及各PAN網(wǎng)絡(luò)的路由示意圖。WAN層不同PAN網(wǎng)絡(luò)的邊緣路由節(jié)點(diǎn)通過(guò)不同通信方式接入到公共網(wǎng)絡(luò)。

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Wi-SUN FAN的典型應(yīng)用架構(gòu)

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FAN Stack架構(gòu)

Wi-SUN FAN的協(xié)議層級(jí)如圖4所示，對(duì)比OSI模型分析，圖中綠色背景的Transport, Network, Data link和PHY為Wi-SUN FAN標(biāo)準(zhǔn)所定義。

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Wi-SUN FAN的協(xié)議層級(jí)

PHY:采用IEEE 802.15.4g規(guī)范作為物理層標(biāo)準(zhǔn)，該規(guī)范是為低功耗、低速率的應(yīng)用而設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)無(wú)線通信技術(shù)，規(guī)定了數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線介質(zhì)傳輸?shù)姆绞?，定義了無(wú)線電的調(diào)制方式，工作頻段，通信速率，協(xié)議數(shù)據(jù)單元等參數(shù)。

Data Link：由MAC Sub-Layer和LLC Sub-Layer兩個(gè)子層組成，其中MAC層采用IEEE 802.15.4e規(guī)范作為介質(zhì)訪問(wèn)標(biāo)準(zhǔn)，由于無(wú)線信號(hào)被Transmitter和Receiver共用，該標(biāo)準(zhǔn)提供了一種機(jī)制，來(lái)完成時(shí)分多址的數(shù)據(jù)傳輸功能以及信道訪問(wèn)管理功能。LLC層作為邏輯鏈路控制層在IEEE 802.2規(guī)范中定義，主要完成數(shù)據(jù)的可靠性傳輸及控制，數(shù)據(jù)包的分段及重組以及數(shù)據(jù)包的順序傳輸。

Network:由IPv6, ICMPv6, RPL, 6LoWPAN各子協(xié)議組成。6LoWPAN的全稱是IPv6 over Low Power Wireless Personal Area Network，主要作用是作為IPv6和IEEE 802.15.4的適配層，將IPv6的數(shù)據(jù)首部通過(guò)協(xié)議壓縮分組后添加到IEEE 802.15.4的載荷中，實(shí)現(xiàn)在低功耗無(wú)線廣域網(wǎng)中使用IPv6技術(shù)完成萬(wàn)物互聯(lián)。RPL的全稱是IPv6 Routing Protocol for Low-Power and Lossy Networks，主要完成有損鏈路互聯(lián)設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸路由機(jī)制。

Transport：在IP協(xié)議中，傳輸協(xié)議位于IP協(xié)議之上。應(yīng)用協(xié)議不直接使用IP，而是通過(guò)傳輸協(xié)議進(jìn)行相互通信。截止目前為止，UDP和TPC為兩種最為廣泛應(yīng)用的傳輸協(xié)議。

04

基于IP技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

互通性強(qiáng)

該特型是IP架構(gòu)的一個(gè)突出點(diǎn)，運(yùn)行在不同特性的鏈路層之上的IP架構(gòu)，之間可以實(shí)現(xiàn)互相通信，同時(shí)IP也能提供了能夠與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)及應(yīng)用進(jìn)行互通的能力。

架構(gòu)通用、穩(wěn)定

IP架構(gòu)的成功已經(jīng)被證明是可持續(xù)發(fā)展的，主要?dú)w因于IP架構(gòu)是為應(yīng)用層協(xié)議和機(jī)制能夠獨(dú)立于底層網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和機(jī)制發(fā)展而設(shè)計(jì)的，從而實(shí)現(xiàn)端到端的基本原則。對(duì)于工業(yè)場(chǎng)景下的智能設(shè)備，對(duì)設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和可靠性要求極高，而IP架構(gòu)的多年應(yīng)用也足以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

可擴(kuò)展性高

通過(guò)IP架構(gòu)在因特網(wǎng)上的廣泛使用，證明IP架構(gòu)很注重?cái)U(kuò)展性。通過(guò)全球化的部署表明IP架構(gòu)可以部署在大量的系統(tǒng)中，并跨越不同底層協(xié)議而正常運(yùn)行。

05

助力Wi-SUN，技術(shù)賦能

基于Wi-SUN的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，我們?cè)O(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)出多款符合該標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品。

作為架構(gòu)在硬件平臺(tái)之上的第一層協(xié)議，產(chǎn)品的性能參數(shù)是PHY協(xié)議的直接體現(xiàn)，研發(fā)完成的首款產(chǎn)品支持902~928MHz的工作頻段，符合FCC標(biāo)準(zhǔn)中高達(dá)1W的輸出功率，同步在接收鏈路中增加LNA進(jìn)一步提升RX的性能，使通信鏈路相對(duì)現(xiàn)有的微功率無(wú)線產(chǎn)品增加約15dB，很大程度降低網(wǎng)絡(luò)層路由機(jī)制的復(fù)雜程度。產(chǎn)品的分布式電源設(shè)計(jì)，及優(yōu)異的熱設(shè)計(jì)保證了產(chǎn)品的穩(wěn)定性。近期正在開(kāi)發(fā)符合國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)的衍生系列產(chǎn)品。

對(duì)于架構(gòu)在傳輸層之上的應(yīng)用協(xié)議，在Wi-SUN中并未定義，這部分需要根據(jù)各開(kāi)發(fā)者根據(jù)實(shí)際應(yīng)用完成對(duì)應(yīng)的開(kāi)發(fā)工作。目前我們已經(jīng)完成基于Wi-SUN協(xié)議棧的多種應(yīng)用協(xié)議開(kāi)發(fā)，包含透明傳輸、SLIP協(xié)議傳輸?shù)?，同期在進(jìn)行符合國(guó)家電網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的645協(xié)議和1376協(xié)議開(kāi)發(fā)工作。

Wi-SUN是一套基于IP技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)LPWAN網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，其利用全球標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.15.4g規(guī)范為基礎(chǔ)，統(tǒng)一物理層，鏈路層，網(wǎng)絡(luò)層及傳輸層的技術(shù)規(guī)范，同時(shí)在產(chǎn)品測(cè)試和規(guī)范一致性認(rèn)證方面做到統(tǒng)一和管理，最終可以確保經(jīng)過(guò)認(rèn)證產(chǎn)品之間的互通性。因此在嵌入Wi-SUN協(xié)議的所有物聯(lián)網(wǎng)終端上，如AMI中的智能電表、智慧城市中的智能路燈等終端設(shè)備上，除了可以實(shí)現(xiàn)無(wú)線通信的功能，降低產(chǎn)業(yè)運(yùn)維投入，還能實(shí)現(xiàn)將這些終端設(shè)備連接到一個(gè)公共網(wǎng)絡(luò)上的，比肩互聯(lián)網(wǎng)通信中的Wi-Fi技術(shù)，實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)通信中的Wi-SUN技術(shù)，具備物聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備的通信網(wǎng)絡(luò)互操作性。

注：文中圖片來(lái)源于網(wǎng)絡(luò)。