一文了解物聯(lián)網(wǎng)(IoT)的多維挑戰(zhàn)

本篇將深入討論物聯(lián)網(wǎng)智能家居網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備制造商面臨的挑戰(zhàn)。

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? ? 互操作性 ? ?

互操作性就是系統(tǒng)、應(yīng)用和服務(wù)以可預(yù)測(cè)的方式可靠協(xié)同工作的能力。這有助于確保技術(shù)的易用性，進(jìn)而快速推廣普及。每個(gè)用戶都希望其電子無線和有線設(shè)備能夠輕松連接和協(xié)作，也就是即插即用。智能家居網(wǎng)絡(luò)也沒有什么不同，它將由許多不同制造商開發(fā)的各種設(shè)備組成。

互操作性和認(rèn)證計(jì)劃有助于確保使用多個(gè)關(guān)鍵物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備之間的互操作性。Wi-Fi之所以如此成功，是因?yàn)閃i-Fi聯(lián)盟實(shí)施的 Wi-Fi互操作性計(jì)劃，該聯(lián)盟擁有世界上最值得信賴的認(rèn)證制度之一。目前已有成千上萬個(gè)經(jīng)過認(rèn)證的Wi-Fi設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)無縫連接。

如今，Zigbee 3.0也可提供同樣級(jí)別的互操作性，而這也得益于合作伙伴關(guān)系和認(rèn)證計(jì)劃。由于兩者之間的合作關(guān)系，使用Zigbee和Thread的產(chǎn)品間通信也經(jīng)過了認(rèn)證。藍(lán)牙也具有涵蓋整個(gè)協(xié)議堆棧和應(yīng)用配置文件的認(rèn)證計(jì)劃，從而有助于藍(lán)牙和低功耗藍(lán)牙(BLE)實(shí)現(xiàn)出色的通信體驗(yàn)。

這些聯(lián)盟和認(rèn)證對(duì)于在具有各種標(biāo)準(zhǔn)的分散型智能家居物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備環(huán)境中實(shí)現(xiàn)整合至關(guān)重要。使用這些協(xié)議的設(shè)備制造商必須遵守這些認(rèn)證和聯(lián)盟標(biāo)準(zhǔn)，使其產(chǎn)品在進(jìn)入市場(chǎng)之前獲得批準(zhǔn)。這樣方可確保用戶體驗(yàn)到期望的即插即用互操作性。

? ? 射頻干擾 ? ?

由于無線技術(shù)的更新?lián)Q代，智能家居網(wǎng)絡(luò)的射頻(RF)復(fù)雜性也不斷提高。許多家用射頻通信設(shè)備采用頻段重疊或密切相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)。有時(shí)候，由于兩個(gè)頻段之間的距離太近，導(dǎo)致一個(gè)通信頻段會(huì)干擾另一個(gè)通信頻段發(fā)送和接收的信號(hào)。

物聯(lián)網(wǎng)和5G技術(shù)進(jìn)一步增加了復(fù)雜性，從而加劇了智能家居設(shè)備設(shè)計(jì)工程師面臨的挑戰(zhàn)。如今，智能家居物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備必須支持許多射頻路徑，有時(shí)需要更大的帶寬，并保持低功耗，同時(shí)所有標(biāo)準(zhǔn)及其所發(fā)送或接收的數(shù)據(jù)之間都不存在干擾。由于網(wǎng)絡(luò)上運(yùn)行的標(biāo)準(zhǔn)越來越多，所以減少干擾勢(shì)在必行。

利用RF濾波器減少干擾

幸運(yùn)的是，射頻濾波器技術(shù)的進(jìn)步大大降低了不同協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)之間相互干擾的可能性。射頻濾波器不斷演變，以支持物聯(lián)網(wǎng)、5G和工業(yè) 4.0的擴(kuò)展需求。體聲波(BAW)等復(fù)雜的多濾波器模塊開始越來越多地用于解決射頻系統(tǒng)中的共存、容量和范圍問題。

此外，通過促進(jìn)集成模塊的開發(fā)，外形更加小巧的濾波器有助于物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品制造商將日益復(fù)雜的RF前端(RFFE)架構(gòu)整合到微型設(shè)備中。與此同時(shí)，當(dāng)今的濾波器技術(shù)有助于緩解與更高頻率和更小外形尺寸相關(guān)的散熱問題。

不同濾波器滿足不同需求

為滿足不同的濾波需求，需要使用不同的濾波器。一些濾波器可優(yōu)化與其他設(shè)備的共存特性;其他一些則有助于改進(jìn)系統(tǒng)、容量、范圍和性能。

例如：共存濾波器(如Qorvo coexBoost濾波器)可用于射頻路徑，針對(duì)需要同時(shí)操作信號(hào)的應(yīng)用。這些共存濾波器都具有陡峭的帶緣裙邊(bandedge skirt)。它們對(duì)于保持信號(hào)質(zhì)量和確保信號(hào)能夠與使用相鄰頻率的其他信號(hào)共存至關(guān)重要。射頻發(fā)射器和接收器路徑必須保持這種共存性。例如，需要在頻段40蜂窩信號(hào)和2.4 GHz Wi-Fi頻段之間保持共存性。頻段40的工作頻率范圍為2,300至2,400MHz，而2.4GHz Wi-Fi頻段的工作頻率范圍為2,412至2,484MHz。這意味著，從2.4GHz Wi-Fi頻段來看，頻段40的高端僅為12MHz。所以，頻段40和Wi-Fi頻段都需要陡峭的濾波器裙邊。這些共存濾波器可通過拒絕相鄰頻帶的信號(hào)來保護(hù)每個(gè)頻帶不受干擾。

其他濾波器旨在幫助實(shí)現(xiàn)最大容量和范圍性能。例如Qorvo edgeBoost和bandBoost濾波器。這些濾波器允許設(shè)計(jì)師提高每個(gè)信道頻段邊緣的RFFE 輸出功率，同時(shí)滿足聯(lián)邦通信委員會(huì)(FCC)的功率譜密度要求。它們還有助于降低頻譜密度，以幫助提高輸出功率性能，如圖3-4所示。通過使用可能無法使用的頻譜，這些濾波器使得運(yùn)營(yíng)商和制造商能夠提供高速數(shù)據(jù)和更大帶寬。如圖3-4中所示，使用頻帶邊緣濾波器可將功率密度提高幾個(gè)dB。

舉個(gè)真實(shí)的示例，假設(shè)您所在的房間內(nèi)有多人使用Wi-Fi和手機(jī)，如圖3-5所示。2.4GHz Wi-Fi頻譜被分為11個(gè)信道，從低頻段的信道1到高頻段的信道11。例如，假設(shè)您正在使用信道5的Wi-Fi觀看足球比賽直播，沒有緩沖也沒有中斷。可這時(shí)，來了一個(gè)新的手機(jī)用戶，開始占用您信道5的Wi-Fi容量。網(wǎng)關(guān)設(shè)備經(jīng)過調(diào)整之后，將您轉(zhuǎn)移至信道1，以便釋放信道5的容量。

圖3-4:采用BAW濾波器(Qorvo edgeBoost 濾波器)前后的

FCC限制頻帶邊緣。

圖 3-5:可以盡可能擴(kuò)大覆蓋范圍和

提高吞吐量的濾波器(Qorvo edgeBoost 濾波器)

如果Wi-Fi單元未配備帶緣濾波器，那么其強(qiáng)度和流傳輸速度就會(huì)降低，從而發(fā)生緩沖，中斷您觀看的視頻，并導(dǎo)致您錯(cuò)過比賽的關(guān)鍵時(shí)刻。這是因?yàn)榫W(wǎng)關(guān)設(shè)備為了遵守FCC的規(guī)定，必須降低信道1的功率，以免干擾相鄰的蜂窩頻段。然而，如果網(wǎng)關(guān)單元配備了帶緣濾波器，就不需要降低信道1和11的功率，這樣您就可以在信道1上繼續(xù)觀看比賽，且不會(huì)出現(xiàn)緩沖和相關(guān)中斷。

? ? 保持無縫、節(jié)能、可靠的連接 ? ?

一些制造商生產(chǎn)的產(chǎn)品使用多種標(biāo)準(zhǔn)。這些產(chǎn)品可以與更多的其他設(shè)備通信，從而進(jìn)一步增強(qiáng)了產(chǎn)品在物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)中的互操作性。通過動(dòng)態(tài)多協(xié)議支持，一個(gè)節(jié)點(diǎn)可以與使用不同標(biāo)準(zhǔn)的多個(gè)設(shè)備通信。

例如：智能家居網(wǎng)絡(luò)可能包括Zigbee設(shè)備和BLE設(shè)備。在同時(shí)支持Zigbee/Matter和BLE設(shè)備的動(dòng)態(tài)多協(xié)議網(wǎng)狀節(jié)點(diǎn)中，設(shè)備的通信部分可自動(dòng)在這些標(biāo)準(zhǔn)之間來回切換，每次支持以一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)通信。

用于智能家居設(shè)備的Qorvo物聯(lián)網(wǎng)通信產(chǎn)品通過支持 ConcurrentConnect技術(shù)增加了另一項(xiàng)功能，即可以持續(xù)接收和轉(zhuǎn)換通信，如圖3-6所示。該創(chuàng)新以一種更快速、更可靠的方式實(shí)現(xiàn)協(xié)議切換，以減少數(shù)據(jù)包丟失，同時(shí)仍保持動(dòng)態(tài)多協(xié)議支持。

圖 3-6:動(dòng)態(tài)多協(xié)議支持和ConcurrentConnect集成電路

如圖3-6所示，左側(cè)顯示物聯(lián)網(wǎng)通信產(chǎn)品整合了動(dòng)態(tài)多協(xié)議支持。這種多協(xié)議支持允許使用不同標(biāo)準(zhǔn)的多個(gè)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備之間進(jìn)行通信。這樣就可以在需要時(shí)，從一個(gè)協(xié)議切換到另一個(gè)協(xié)議。但 Qorvo 在其物聯(lián)網(wǎng)射頻設(shè)備中采用 ConcurrentConnect 技術(shù)，進(jìn)一步增加了復(fù)雜性。ConcurrentConnect技術(shù)使物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備具有同時(shí)從所有網(wǎng)絡(luò)設(shè)備連續(xù)接收和發(fā)送設(shè)備通信的能力，從而實(shí)現(xiàn)更可靠、更無縫的通信。這樣，協(xié)議之間的通信可實(shí)現(xiàn)無縫切換，從而減少了重復(fù)進(jìn)行ping操作的需求以及通信掉線的可能性。

請(qǐng)?jiān)囅胍幌聦?shí)際的網(wǎng)絡(luò)情況。如果未采用ConcurrentConnect技術(shù)，Zigbee/Matter和藍(lán)牙低功耗(BLE)設(shè)備就需要在標(biāo)準(zhǔn)之間來回切換，每次支持以一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)通信。但協(xié)議之間的切換會(huì)造成延遲，從而導(dǎo)致通信掉線。而采用ConcurrentConnect技術(shù)的設(shè)備則允許從BLE到Zigbee/Matter的瞬時(shí)切換，幾乎不會(huì)出現(xiàn)通信掉線的情況。這是因?yàn)镃oncurrentConnect技術(shù)可消除協(xié)議切換的延遲。因此，通信將更快速、更有效、更具可擴(kuò)展性，并且能夠在更短的時(shí)間內(nèi)接收更多數(shù)據(jù)包。

? ? 創(chuàng)建自主管理物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò) ? ?

大多數(shù)物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)用戶都希望實(shí)現(xiàn)即插即用，只需很少或最少的設(shè)置或交互。我們都希望該網(wǎng)絡(luò)在通電后工作。這樣產(chǎn)品制造商就需要解決產(chǎn)品的簡(jiǎn)單易用性問題。解決這項(xiàng)挑戰(zhàn)并不是件易事，因?yàn)槊總€(gè)用戶的網(wǎng)絡(luò)都是不同的。

為幫助實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，家庭的網(wǎng)狀物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)具有自我管理和自我修復(fù)功能，這樣就可以確保消費(fèi)類產(chǎn)品持續(xù)運(yùn)行，而無需參與網(wǎng)絡(luò)管理的技術(shù)細(xì)節(jié)。物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該能夠進(jìn)行操作和監(jiān)控，并在網(wǎng)絡(luò)完全關(guān)閉之前通知用戶可能出現(xiàn)的問題。在適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)故障和環(huán)境變化的同時(shí)，各個(gè)節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)還必須具有互操作性和協(xié)同性。智能家居網(wǎng)絡(luò)中的子系統(tǒng)可監(jiān)控信號(hào)強(qiáng)度、電池使用壽命等，始終適應(yīng)并通知用戶，從而實(shí)現(xiàn)性能優(yōu)化。

網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)可為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用提供切實(shí)優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樗冀K可用且可訪問。網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)采用一種自修復(fù)算法，即使某些節(jié)點(diǎn)意外失去連接，該算法也能自動(dòng)選擇最佳路徑來發(fā)送數(shù)據(jù)。這種算法可確保流量只能通過功能正常的可用連接進(jìn)行路由。這樣，即使某些節(jié)點(diǎn)不工作，網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)也能繼續(xù)運(yùn)行。網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)還允許設(shè)備彼此直接通信，無需通過網(wǎng)關(guān)路由所有通信。

? ? 網(wǎng)絡(luò)安全和隱私 ? ?

在物聯(lián)網(wǎng)部署中，實(shí)施足夠的安全和隱私措施是一項(xiàng)巨大挑戰(zhàn)。當(dāng)今的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)通常是分散的，且使用各種協(xié)議和技術(shù)，這樣就難以控制網(wǎng)絡(luò)安全和隱私。

這也強(qiáng)有力地證明必須實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，以幫助提高安全和隱私。它還可以提高易用性和可擴(kuò)展性，使用戶能夠輕松地將設(shè)備添加至網(wǎng)絡(luò)。標(biāo)準(zhǔn)化可幫助用戶以安全的方式進(jìn)行自己的優(yōu)化物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)。

如前所述，使用網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)可以將控制權(quán)和安全保障掌控在所有者手中。通常，這些網(wǎng)格系統(tǒng)使用應(yīng)用進(jìn)行設(shè)置、控制和監(jiān)控。應(yīng)用有助于網(wǎng)絡(luò)設(shè)置，并可確保設(shè)置密碼的安全性。此外，應(yīng)用還有助于管理網(wǎng)絡(luò)問題、檢查數(shù)據(jù)速率、設(shè)置家長(zhǎng)控制功能等。一些系統(tǒng)可幫助所有者隨時(shí)查看連接到系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的對(duì)象。

為確保這些設(shè)備的安全，必須持續(xù)更新您的電腦和智能手機(jī)。網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)亦不例外。然而，網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)通常都是自行更新，這樣所有者就無需擔(dān)心執(zhí)行令人煩心的可操作更新。

一些網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)還需要支付訂閱費(fèi)來獲得增強(qiáng)的安全功能，比如防范黑客攻擊、網(wǎng)站威脅和安全掃描。這些訂閱還包括防范惡意軟件、病毒、黑客甚至網(wǎng)絡(luò)罪犯攻擊的安全功能。

如果您的智能家居帶有聯(lián)網(wǎng)的安保攝像頭、恒溫器以及其他物聯(lián)網(wǎng)智能設(shè)備，那么網(wǎng)格系統(tǒng)將會(huì)大有幫助。網(wǎng)格系統(tǒng)功能可幫助您保護(hù)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)(包括這些設(shè)備)免受網(wǎng)絡(luò)攻擊。

? ? 功耗 ? ?

全球的化石燃料正在加速消耗。降低功耗和提供更環(huán)保產(chǎn)品的壓力越來越大。如今，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的制造商和供應(yīng)商也感受到了同樣的壓力。隨著世界各國(guó)領(lǐng)導(dǎo)人推進(jìn)越來越多的綠色倡議，這一趨勢(shì)只會(huì)加劇。其中一些物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)品只使用紐扣電池(一些可持續(xù)使用長(zhǎng)達(dá)10年)，但生產(chǎn)這些電池要消耗化石燃料。此外，許多物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備并不使用紐扣電池；相反，它們使用電網(wǎng)電力。因此，為了控制功耗需求，某些物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備有時(shí)會(huì)添加軟件和硬件，以確保在不通信時(shí)處于睡眠模式。

在制造環(huán)境中，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)備不僅能進(jìn)一步提高效率和自動(dòng)化程度，還必須采用低功耗設(shè)計(jì)。物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備制造商已經(jīng)著手生產(chǎn)低功耗產(chǎn)品。同時(shí)還開始生產(chǎn)更高效、更小巧、更纖薄的產(chǎn)品。通過嘗試生產(chǎn)運(yùn)行時(shí)能耗更低的裝置，消費(fèi)者、企業(yè)和制造商可以實(shí)現(xiàn)共贏。確保物聯(lián)網(wǎng)在可再生能源領(lǐng)域的前沿地位，可使許多公司獲益。在發(fā)電、傳輸和配電設(shè)備上使用物聯(lián)網(wǎng)傳感器可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程資產(chǎn)監(jiān)控和管理。此外，在整個(gè)制造環(huán)境中安裝物聯(lián)網(wǎng)有助于降低照明、供暖、冷卻和安全相關(guān)成本。

智能家居網(wǎng)絡(luò)可能包括許多7x24小時(shí)全天候運(yùn)行的通信設(shè)備。這些設(shè)備即使在不主動(dòng)通信的情況下也會(huì)消耗能源，所以效率和功耗一直都是設(shè)計(jì)考慮因素。無論使用何種協(xié)議，都必須優(yōu)化物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，以實(shí)現(xiàn)節(jié)能運(yùn)行。

下面簡(jiǎn)要概述了不同標(biāo)準(zhǔn)的功耗:

Wi-Fi和Matter(Zigbee、Thread)的信號(hào)范圍類似，但因?yàn)閃i-Fi支持更高的數(shù)據(jù)傳輸速率，所以功耗更高。

Matter(Zigbee、Thread)和BLE的功耗相當(dāng)，都是為了節(jié)省電池電量而開發(fā)。

Matter(Zigbee、Thread)的功耗差不多是Wi-Fi的1-3%，具體取決于應(yīng)用。

隨著環(huán)保倡議在全球范圍內(nèi)實(shí)施，降低物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)的功耗勢(shì)在必行。用戶和制造商的目標(biāo)是在不降低性能和整體物聯(lián)網(wǎng)連接的情況下降低功耗。當(dāng)需要更換電池時(shí)，設(shè)備會(huì)自動(dòng)通知用戶，以確保持續(xù)運(yùn)行。