面向HAECS應(yīng)用實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化的DECT技術(shù)解析

作者：Dialog半導(dǎo)體有限公司Steven Leussink與René Kohlmann

家庭網(wǎng)絡(luò)市場正在發(fā)生巨大變化——從恒溫器、電燈開關(guān)到門鎖和煙霧探測器，一系列種類繁多的家用系統(tǒng)都將實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)。這種轉(zhuǎn)變源于人們希望改善環(huán)境和降低能耗的共同愿望，并有望為各類科技公司帶來巨大商機(jī)。

據(jù)預(yù)測，僅在美國，家庭能源管理設(shè)備未來五年的出貨量就將超過1.4億件（GBI）。其它市場也與此類似，例如，此類設(shè)備在英國的市場總量預(yù)計將超過24億英鎊（IMS）。

盡管如此，此類設(shè)備必須支持現(xiàn)有家庭網(wǎng)絡(luò)，不同廠商的設(shè)備之間的互操作性是確保廠商業(yè)務(wù)成功獲得成功的關(guān)鍵所在。

全球有超過6億戶家庭安裝了家庭網(wǎng)絡(luò)（IMS預(yù)測），用于連接計算機(jī)、媒體播放器、智能電視機(jī)連接打印機(jī)、網(wǎng)絡(luò)連接存儲（NAS）系統(tǒng)、互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)以及鼠標(biāo)、耳麥、鍵盤等日益增多的配件。

與標(biāo)準(zhǔn)化的WiFi、以太網(wǎng)、USB等家庭計算網(wǎng)絡(luò)一樣，這些新的HAECS（家庭自動化、能源管理、護(hù)理與安全）網(wǎng)絡(luò)也必須實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，以便采用一種具備互操作性、可覆蓋整個家庭、并能延長電池續(xù)航時間的技術(shù)；不僅如此，這個標(biāo)準(zhǔn)還必須具備可靠、安全、可擴(kuò)展、容易設(shè)置的特點。

這個標(biāo)準(zhǔn)就是DECT。

作為事實標(biāo)準(zhǔn)的DECT

采用一個標(biāo)準(zhǔn)對于大規(guī)模推廣是必不可少的。它能夠確?；ゲ僮餍裕⑻嵘蛻舻男判?，從而增加每個網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點數(shù)量，為最終用戶和服務(wù)提供商創(chuàng)造價值。

當(dāng)今的很多解決方案不是基于某個標(biāo)準(zhǔn)，而是基于一些特殊利益集團(tuán)。

與此相反，常常被忽視的DECT標(biāo)準(zhǔn)已在全球5.8億戶家庭中落戶，每年在約1.2億個出售給家庭用戶的新系統(tǒng)所采用。

一項歷史悠久、不斷演進(jìn)的技術(shù)

問世于1987年的DECT（Digital Enhanced Cordless Telecommunications，數(shù)字增強(qiáng)型無線通信）是一個開放的ETSI標(biāo)準(zhǔn)，目的是在住宅、商業(yè)和公共環(huán)境中實現(xiàn)靈活的數(shù)字無線通信。它采用了多項能夠高效利用無線頻譜的先進(jìn)技術(shù)，因此，能夠?qū)崿F(xiàn)較高的語音質(zhì)量、高達(dá)1 Mbps的原始數(shù)據(jù)速率和安全通信，而且干擾風(fēng)險也非常低。

隨著時間的推移，DECT也在不斷演進(jìn)，通過加入CAT-iq（Cordless Advanced Technology – internet and quality，無線先進(jìn)技術(shù)－互聯(lián)網(wǎng)與質(zhì)量）特性的DECT能提供寬帶語音質(zhì)量，并能集成無線通信和互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)，從而讓DECT電話能夠用于VoIP以及音頻流等其它互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，并確保不同廠商的網(wǎng)關(guān)及話機(jī)設(shè)備之間的互操作性。

在主流電信運(yùn)營商的支持下，DECT技術(shù)及其CAT-iq特性已經(jīng)被集成到眾多家庭網(wǎng)關(guān)和綜合接入設(shè)備中，不再需要單獨(dú)的調(diào)制解調(diào)器、路由器和電話基站，并實現(xiàn)了三網(wǎng)合一服務(wù)。據(jù)IMS Research預(yù)測，到 2015年，DECT/CAT-iq IAD（包括有線、xDSL和光纖）的全球普及率將達(dá)到35%，總量高達(dá)2500萬件設(shè)備。

DECT被HAECS應(yīng)用忽視的原因之一是：人們直到現(xiàn)在還認(rèn)為其功耗對于“fix-and-forget”型節(jié)點而言太高。但是，最新的DECT產(chǎn)品包含一個超低能耗模式，它是由ETSI批準(zhǔn)的一種新模式，被稱為DECT ULE。

它可以讓感應(yīng)器/執(zhí)行器節(jié)點使用一節(jié)標(biāo)準(zhǔn)的AAA電池自主運(yùn)行5至10年。DECT ULE全面兼容前幾代DECT 和CAT-iq產(chǎn)品，提供相同的語音質(zhì)量、可靠性、安全通信和即插即用特性，并支持廣泛的現(xiàn)有DECT系統(tǒng)。

憑借CAT-iq和DECT ULE技術(shù)，DECT可完美匹配HAECS應(yīng)用?？紤]到其較高的消費(fèi)者接受程度、巨大的保有量以及互聯(lián)網(wǎng)連接性，DECT ULE的優(yōu)勢明顯多于目前的其它網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（見附錄）。

傳輸距離

任何家庭網(wǎng)絡(luò)技術(shù)必須能夠在一個典型房屋中可靠地傳輸數(shù)據(jù)。在探討某種RF技術(shù)的傳輸距離時，我們通常從鏈路預(yù)算（發(fā)射器和接收器之間可以彌補(bǔ)的路徑損耗）的角度考慮這個問題。為了覆蓋從地窖到屋頂?shù)拇蟛糠址课?，我們需要約115 dB的最小鏈路預(yù)算。

各種HAECS技術(shù)的鏈路預(yù)算取決于數(shù)據(jù)速率、傳輸頻率、發(fā)射功率等用例選擇。表1列出了不同技術(shù)的用例選擇和最佳鏈路預(yù)算。

表：DECT擁有一個足夠覆蓋正常房屋的鏈路預(yù)算，并能以較高的速率傳輸數(shù)據(jù)。

憑借123 dB的鏈路預(yù)算，DECT明顯能夠滿足消費(fèi)者對于家庭網(wǎng)絡(luò)的要求，讓他們能夠在家中自由行動，并將節(jié)點安裝在任何地方，甚至安裝在地窖、墻壁插座等不理想的地方。其它一些技術(shù)不具備所需的鏈路預(yù)算，需要將RF路徑分為多個較小的路徑段，例如，在網(wǎng)狀網(wǎng)中。因此，這要求將路由器安裝在屋內(nèi)的特定位置，而且需要使用市電。對于消費(fèi)者而言，這些因素提高了安裝的復(fù)雜性。

功耗與延時

Zigbee/802.15.4等技術(shù)經(jīng)常宣稱其功耗低于任何其它網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。但是，根據(jù)物理學(xué)原理，在傳輸距離和接收機(jī)率相同的情況下，發(fā)送相同數(shù)量的數(shù)據(jù)將消耗相同的能量。因此，當(dāng)您考慮鏈路預(yù)算和將要交換的信息量時，所有建議的HAECS系統(tǒng)的實際功耗其實都很接近。

圖2：電池續(xù)航時間取決于睡眠/喚醒率，多類應(yīng)用使用一節(jié)AAA電池可運(yùn)行10年。

因此，節(jié)點運(yùn)行時間（或電池續(xù)航時間）的最大區(qū)別源于睡眠/喚醒率，而后者與具體的用例延時要求有關(guān)。感應(yīng)器的自運(yùn)行時間大多取決于在它們處于非活動狀態(tài)時所發(fā)生的事件的數(shù)量。對于執(zhí)行器而言，自運(yùn)行時間通常由所需延時決定，而典型的執(zhí)行器要求延時低于1秒。

采用DECT ULE時，如果每小時發(fā)生10個事件，一個典型的感應(yīng)器應(yīng)用使用一節(jié)AAA電池可以運(yùn)行超過10 年（黃色曲線）。對于延時低于2秒的執(zhí)行器而言，自運(yùn)行時間仍能達(dá)到2年（紅色曲線）。

干擾、傳輸可靠性和數(shù)據(jù)傳輸量

各種無線信號之間的干擾可降低信息抵達(dá)目的地的機(jī)率，而消費(fèi)者會對那些經(jīng)常失效的產(chǎn)品失去興趣。即使干擾不會妨礙傳輸，它們?nèi)詴蠓档驮摷夹g(shù)在室內(nèi)的傳輸距離和自運(yùn)行時間。

很多家庭網(wǎng)絡(luò)技術(shù)使用流行的sub-GHz或2.4 GHz工業(yè)/科學(xué)/醫(yī)療（ISM）頻段，因為其使用沒有任何地理限制。盡管如此，這些頻段非常擁擠，被保有量巨大的Wi-Fi、藍(lán)牙以及眾多專有設(shè)備所占據(jù)。

如果沒有在這些頻段中共存的協(xié)議，即使在不太擁擠的sub-GHz頻段內(nèi)，也不能保證各個設(shè)備能夠共存。

這個問題不僅給Zigbee/802.15.4或RF4C等2.4 GHz頻段中的新來者，而且給眾多專有的sub GHz頻段解決方案帶來了巨大挑戰(zhàn)。為了確保系統(tǒng)的正常運(yùn)行和服務(wù)質(zhì)量，使用這些頻段的服務(wù)提供商將需要提供額外的安裝支持。對于IAD制造商而言，集成多個使用相同頻段的無線解決方案的前景并不美妙。共存只是解決存在問題，而在沒有一個認(rèn)證機(jī)構(gòu)的情況下如何成功部署這些設(shè)備，依然是一個極大的挑戰(zhàn)。

另一方面，DECT使用一個中心頻率為1.9 GHz的20 MHz寬頻段。該頻段在全球100多個國家為授權(quán)頻段，因此可以減少來自其它來源的干擾。而且很獨(dú)特的一點是，雖然該頻段是授權(quán)和預(yù)留頻段，但卻不用支付許可費(fèi)。此外，DECT成熟的動態(tài)信道選擇/分配（DCS/DCA）功能可確保每次傳輸都使用最佳的可用無線信道。DECT DCA可被視為當(dāng)今被稱為“認(rèn)知無線電”的初期實現(xiàn)。因此，大量DECT系統(tǒng)可以在相同的頻段內(nèi)共存，同時確?？煽康母哔|(zhì)量通信。

互操作性

HAECS市場是一個分化很嚴(yán)重的市場，各個市場參與方僅支持HAECS 家庭網(wǎng)絡(luò)的某些元素?；ゲ僮餍圆粌H對于大量應(yīng)用至關(guān)重要，而且還能為客戶創(chuàng)造價值。DECT 標(biāo)準(zhǔn)自問世以來就支持通用接入規(guī)范（GAP），以確保不同廠商的基站和話機(jī)之間的互操作性。后來的CAT-iq支持寬帶編解碼器協(xié)商等更高的互操作性。

為了保持這一優(yōu)勢，由服務(wù)提供商、制造商和芯片廠商組成的DECT論壇舉辦了針對ULE設(shè)備的互操作性測試會議，并于今年年初在瑞士舉辦了第二屆會議。此外，ETSI正在完成 DECT 標(biāo)準(zhǔn)的修正案。

這些活動不僅能確?？蓪LE設(shè)備集成到傳統(tǒng)的DECT系統(tǒng)中，而且還能確保不同廠商的設(shè)備之間的互操作性。

網(wǎng)絡(luò)可擴(kuò)展性

供熱系統(tǒng)、家庭安全、能源管理、家庭護(hù)理等一系列廣泛的應(yīng)用形成了很多不兼容的子網(wǎng)，它們通常是一些獨(dú)立的解決方案，而不是諸如互聯(lián)網(wǎng)等大網(wǎng)絡(luò)的一部分。

將應(yīng)用協(xié)議從傳輸協(xié)議（UDP/TCP）分離開一直是實現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)可擴(kuò)展性的關(guān)鍵所在。鑒于這個原因，DECT/ULE 路線圖預(yù)見了對IPv6的整合，以實現(xiàn)從“云端”到終端節(jié)點的全程應(yīng)用透明。將成功的互聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)（IETF）與DECT/ULE 標(biāo)準(zhǔn)相結(jié)合，為實現(xiàn)一個可擴(kuò)展的無線設(shè)備網(wǎng)絡(luò)（物聯(lián)網(wǎng)）創(chuàng)造了獨(dú)特的機(jī)遇。

圖3：基本的星形（左）和樹形網(wǎng)絡(luò)

網(wǎng)狀和樹形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)等多跳網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模易于擴(kuò)展，但在家庭應(yīng)用領(lǐng)域，它們的應(yīng)用范圍有限，而且將增加安裝的復(fù)雜性。網(wǎng)狀Zigbee網(wǎng)絡(luò)因它們的復(fù)雜性而臭名昭著，但過去幾十年以來，消費(fèi)者卻非常成功地部署了自我安裝型的DECT轉(zhuǎn)發(fā)器（樹形）。

節(jié)點密度（每平方米節(jié)點數(shù)）是僅次于網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的第二大重要因素。使用sub GHz頻段的網(wǎng)絡(luò)很快會因較窄的可用帶寬（2MHz）耗盡容量，2.4 GHz解決方案也會因傳統(tǒng)產(chǎn)品之間的干擾而不符合要求；但是，系統(tǒng)帶寬高達(dá)20MHz的DECT ULE支持極高的節(jié)點密度。

截至2011年第一季度，全球已有5.4億戶家庭擁有固定寬帶連接（Point Topic），而且該數(shù)字正以每年 12%的速度增長，這為新一代基于互聯(lián)網(wǎng)的HAECS設(shè)備及服務(wù)帶來了巨大潛力。

這些基于DECT/ULE的網(wǎng)關(guān)將 HAECS 設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)無縫整合，從而創(chuàng)建一個萬事俱備的生態(tài)系統(tǒng)，讓服務(wù)提供商能夠開發(fā)各種新型服務(wù)，并提高每個設(shè)備的平均收益（ARPU）。

成本

Zigbee、藍(lán)牙和DECT都擁有類似的軟硬件要求。例如，Zigbee軟件棧約為100 Kbytes，DECT軟件棧為 60-80 Kbytes（取決于功能）。因此，這兩種技術(shù)的成本接近。

這意味著，技術(shù)的成熟度和產(chǎn)量是決定價格的主要因素。每年3億件銷量的DECT芯片代表了一個健康的多廠商市場，它可以確保較低的組件價格和充足的貨源。

當(dāng)今的單芯片DECT SoC的價格遠(yuǎn)低于ZigBee SoC的2-3美元價位，而且通常還提供語音編碼器、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器等一系列軟硬件資源，用于區(qū)分各類應(yīng)用。

共享DECT功能還能為消費(fèi)者進(jìn)一步降低系統(tǒng)成本，這也包括現(xiàn)有的IAD。

語音與安全性

雖然語音應(yīng)用與HACES沒有直接聯(lián)系，但對于幾種安全和家庭護(hù)理應(yīng)用而言，語音鏈路卻最為重要。DECT最初是為無繩電話而設(shè)計的，因此自然能在家庭之內(nèi)和之外提供高質(zhì)量的語音鏈路。DECT目前支持AES-128加密鏈路，包括認(rèn)證算法，而且在鏈路完整性方面擁有良好的記錄。DECT UL保持了同樣高的語音質(zhì)量以及幾百萬個現(xiàn)有DECT系統(tǒng)中正在使用的語音傳輸安全機(jī)制，因此，可用于搭建類似于當(dāng)今無線話機(jī)那樣可防竊聽的HAECS網(wǎng)絡(luò)。

安裝、配置、運(yùn)行和維護(hù)

DECT ULE和它的前代無繩電話一樣易于安裝、配置和運(yùn)行。

基于一種由所有設(shè)備執(zhí)行的分布式算法（動態(tài)信道分配）的自動頻率規(guī)劃功能，可讓所有感應(yīng)器/執(zhí)行器使用完整的DECT頻譜，因此，與其它解決方案相比，簡化了配置工作。其星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)將網(wǎng)絡(luò)配置工作簡化為一項經(jīng)過驗證的消費(fèi)者任務(wù)。

此外，通過無線方式升級固件（通過ETSI DECT標(biāo)準(zhǔn)的空中軟件升級（SUOTA））為ULE網(wǎng)絡(luò)賦予了前瞻性，提升了網(wǎng)絡(luò)提供商在現(xiàn)有配置中部署新產(chǎn)品的能力。

附錄：無線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議對比

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