一文了解物联网(IoT)的多维挑战

本篇将深入讨论物联网智能家居网络和设备制造商面临的挑战。

 

    互操作性    

互操作性就是系统、应用和服务以可预测的方式可靠协同工作的能力。这有助于确保技术的易用性，进而快速推广普及。每个用户都希望其电子无线和有线设备能够轻松连接和协作，也就是即插即用。智能家居网络也没有什么不同，它将由许多不同制造商开发的各种设备组成。

互操作性和认证计划有助于确保使用多个关键物联网标准的设备之间的互操作性。Wi-Fi之所以如此成功，是因为Wi-Fi联盟实施的 Wi-Fi互操作性计划，该联盟拥有世界上最值得信赖的认证制度之一。目前已有成千上万个经过认证的Wi-Fi设备可以实现无缝连接。

如今，Zigbee 3.0也可提供同样级别的互操作性，而这也得益于合作伙伴关系和认证计划。由于两者之间的合作关系，使用Zigbee和Thread的产品间通信也经过了认证。蓝牙也具有涵盖整个协议堆栈和应用配置文件的认证计划，从而有助于蓝牙和低功耗蓝牙(BLE)实现出色的通信体验。

这些联盟和认证对于在具有各种标准的分散型智能家居物联网设备环境中实现整合至关重要。使用这些协议的设备制造商必须遵守这些认证和联盟标准，使其产品在进入市场之前获得批准。这样方可确保用户体验到期望的即插即用互操作性。

    射频干扰    

由于无线技术的更新换代，智能家居网络的射频(RF)复杂性也不断提高。许多家用射频通信设备采用频段重叠或密切相关的标准。有时候，由于两个频段之间的距离太近，导致一个通信频段会干扰另一个通信频段发送和接收的信号。

物联网和5G技术进一步增加了复杂性，从而加剧了智能家居设备设计工程师面临的挑战。如今，智能家居物联网设备必须支持许多射频路径，有时需要更大的带宽，并保持低功耗，同时所有标准及其所发送或接收的数据之间都不存在干扰。由于网络上运行的标准越来越多，所以减少干扰势在必行。

利用RF滤波器减少干扰

幸运的是，射频滤波器技术的进步大大降低了不同协议标准之间相互干扰的可能性。射频滤波器不断演变，以支持物联网、5G和工业 4.0的扩展需求。体声波(BAW)等复杂的多滤波器模块开始越来越多地用于解决射频系统中的共存、容量和范围问题。

此外，通过促进集成模块的开发，外形更加小巧的滤波器有助于物联网产品制造商将日益复杂的RF前端(RFFE)架构整合到微型设备中。与此同时，当今的滤波器技术有助于缓解与更高频率和更小外形尺寸相关的散热问题。

不同滤波器满足不同需求

为满足不同的滤波需求，需要使用不同的滤波器。一些滤波器可优化与其他设备的共存特性;其他一些则有助于改进系统、容量、范围和性能。

例如：共存滤波器(如Qorvo coexBoost滤波器)可用于射频路径，针对需要同时操作信号的应用。这些共存滤波器都具有陡峭的带缘裙边(bandedge skirt)。它们对于保持信号质量和确保信号能够与使用相邻频率的其他信号共存至关重要。射频发射器和接收器路径必须保持这种共存性。例如，需要在频段40蜂窝信号和2.4 GHz Wi-Fi频段之间保持共存性。频段40的工作频率范围为2,300至2,400MHz，而2.4GHz Wi-Fi频段的工作频率范围为2,412至2,484MHz。这意味着，从2.4GHz Wi-Fi频段来看，频段40的高端仅为12MHz。所以，频段40和Wi-Fi频段都需要陡峭的滤波器裙边。这些共存滤波器可通过拒绝相邻频带的信号来保护每个频带不受干扰。

其他滤波器旨在帮助实现最大容量和范围性能。例如Qorvo edgeBoost和bandBoost滤波器。这些滤波器允许设计师提高每个信道频段边缘的RFFE 输出功率，同时满足联邦通信委员会(FCC)的功率谱密度要求。它们还有助于降低频谱密度，以帮助提高输出功率性能，如图3-4所示。通过使用可能无法使用的频谱，这些滤波器使得运营商和制造商能够提供高速数据和更大带宽。如图3-4中所示，使用频带边缘滤波器可将功率密度提高几个dB。

举个真实的示例，假设您所在的房间内有多人使用Wi-Fi和手机，如图3-5所示。2.4GHz Wi-Fi频谱被分为11个信道，从低频段的信道1到高频段的信道11。例如，假设您正在使用信道5的Wi-Fi观看足球比赛直播，没有缓冲也没有中断。可这时，来了一个新的手机用户，开始占用您信道5的Wi-Fi容量。网关设备经过调整之后，将您转移至信道1，以便释放信道5的容量。

图3-4:采用BAW滤波器(Qorvo edgeBoost 滤波器)前后的

FCC限制频带边缘。

图 3-5:可以尽可能扩大覆盖范围和

提高吞吐量的滤波器(Qorvo edgeBoost 滤波器)

如果Wi-Fi单元未配备带缘滤波器，那么其强度和流传输速度就会降低，从而发生缓冲，中断您观看的视频，并导致您错过比赛的关键时刻。这是因为网关设备为了遵守FCC的规定，必须降低信道1的功率，以免干扰相邻的蜂窝频段。然而，如果网关单元配备了带缘滤波器，就不需要降低信道1和11的功率，这样您就可以在信道1上继续观看比赛，且不会出现缓冲和相关中断。

    保持无缝、节能、可靠的连接    

一些制造商生产的产品使用多种标准。这些产品可以与更多的其他设备通信，从而进一步增强了产品在物联网网络中的互操作性。通过动态多协议支持，一个节点可以与使用不同标准的多个设备通信。

例如：智能家居网络可能包括Zigbee设备和BLE设备。在同时支持Zigbee/Matter和BLE设备的动态多协议网状节点中，设备的通信部分可自动在这些标准之间来回切换，每次支持以一个标准通信。

用于智能家居设备的Qorvo物联网通信产品通过支持 ConcurrentConnect技术增加了另一项功能，即可以持续接收和转换通信，如图3-6所示。该创新以一种更快速、更可靠的方式实现协议切换，以减少数据包丢失，同时仍保持动态多协议支持。

图 3-6:动态多协议支持和ConcurrentConnect集成电路

如图3-6所示，左侧显示物联网通信产品整合了动态多协议支持。这种多协议支持允许使用不同标准的多个物联网设备之间进行通信。这样就可以在需要时，从一个协议切换到另一个协议。但 Qorvo 在其物联网射频设备中采用 ConcurrentConnect 技术，进一步增加了复杂性。ConcurrentConnect技术使物联网设备具有同时从所有网络设备连续接收和发送设备通信的能力，从而实现更可靠、更无缝的通信。这样，协议之间的通信可实现无缝切换，从而减少了重复进行ping操作的需求以及通信掉线的可能性。

请试想一下实际的网络情况。如果未采用ConcurrentConnect技术，Zigbee/Matter和蓝牙低功耗(BLE)设备就需要在标准之间来回切换，每次支持以一个标准通信。但协议之间的切换会造成延迟，从而导致通信掉线。而采用ConcurrentConnect技术的设备则允许从BLE到Zigbee/Matter的瞬时切换，几乎不会出现通信掉线的情况。这是因为ConcurrentConnect技术可消除协议切换的延迟。因此，通信将更快速、更有效、更具可扩展性，并且能够在更短的时间内接收更多数据包。

    创建自主管理物联网网络    

大多数物联网网络用户都希望实现即插即用，只需很少或最少的设置或交互。我们都希望该网络在通电后工作。这样产品制造商就需要解决产品的简单易用性问题。解决这项挑战并不是件易事，因为每个用户的网络都是不同的。

为帮助实现这一目标，家庭的网状物联网网络应具有自我管理和自我修复功能，这样就可以确保消费类产品持续运行，而无需参与网络管理的技术细节。物联网网络应该能够进行操作和监控，并在网络完全关闭之前通知用户可能出现的问题。在适应网络故障和环境变化的同时，各个节点和网关还必须具有互操作性和协同性。智能家居网络中的子系统可监控信号强度、电池使用寿命等，始终适应并通知用户，从而实现性能优化。

网状网络可为物联网应用提供切实优势，因为它始终可用且可访问。网状网络采用一种自修复算法，即使某些节点意外失去连接，该算法也能自动选择最佳路径来发送数据。这种算法可确保流量只能通过功能正常的可用连接进行路由。这样，即使某些节点不工作，网状网络也能继续运行。网状网络还允许设备彼此直接通信，无需通过网关路由所有通信。

    网络安全和隐私    

在物联网部署中，实施足够的安全和隐私措施是一项巨大挑战。当今的物联网网络通常是分散的，且使用各种协议和技术，这样就难以控制网络安全和隐私。

这也强有力地证明必须实现标准化，以帮助提高安全和隐私。它还可以提高易用性和可扩展性，使用户能够轻松地将设备添加至网络。标准化可帮助用户以安全的方式进行自己的优化物联网网络设计。

如前所述，使用网状网络可以将控制权和安全保障掌控在所有者手中。通常，这些网格系统使用应用进行设置、控制和监控。应用有助于网络设置，并可确保设置密码的安全性。此外，应用还有助于管理网络问题、检查数据速率、设置家长控制功能等。一些系统可帮助所有者随时查看连接到系统网络的对象。

为确保这些设备的安全，必须持续更新您的电脑和智能手机。网状网络亦不例外。然而，网状网络通常都是自行更新，这样所有者就无需担心执行令人烦心的可操作更新。

一些网状网络还需要支付订阅费来获得增强的安全功能，比如防范黑客攻击、网站威胁和安全扫描。这些订阅还包括防范恶意软件、病毒、黑客甚至网络罪犯攻击的安全功能。

如果您的智能家居带有联网的安保摄像头、恒温器以及其他物联网智能设备，那么网格系统将会大有帮助。网格系统功能可帮助您保护整个网络(包括这些设备)免受网络攻击。

    功耗    

全球的化石燃料正在加速消耗。降低功耗和提供更环保产品的压力越来越大。如今，物联网设备的制造商和供应商也感受到了同样的压力。随着世界各国领导人推进越来越多的绿色倡议，这一趋势只会加剧。其中一些物联网产品只使用纽扣电池(一些可持续使用长达10年)，但生产这些电池要消耗化石燃料。此外，许多物联网设备并不使用纽扣电池；相反，它们使用电网电力。因此，为了控制功耗需求，某些物联网设备有时会添加软件和硬件，以确保在不通信时处于睡眠模式。

在制造环境中，物联网技术设备不仅能进一步提高效率和自动化程度，还必须采用低功耗设计。物联网设备制造商已经着手生产低功耗产品。同时还开始生产更高效、更小巧、更纤薄的产品。通过尝试生产运行时能耗更低的装置，消费者、企业和制造商可以实现共赢。确保物联网在可再生能源领域的前沿地位，可使许多公司获益。在发电、传输和配电设备上使用物联网传感器可实现远程资产监控和管理。此外，在整个制造环境中安装物联网有助于降低照明、供暖、冷却和安全相关成本。

智能家居网络可能包括许多7x24小时全天候运行的通信设备。这些设备即使在不主动通信的情况下也会消耗能源，所以效率和功耗一直都是设计考虑因素。无论使用何种协议，都必须优化物联网设备，以实现节能运行。

下面简要概述了不同标准的功耗:

Wi-Fi和Matter(Zigbee、Thread)的信号范围类似，但因为Wi-Fi支持更高的数据传输速率，所以功耗更高。

Matter(Zigbee、Thread)和BLE的功耗相当，都是为了节省电池电量而开发。

Matter(Zigbee、Thread)的功耗差不多是Wi-Fi的1-3%，具体取决于应用。

随着环保倡议在全球范围内实施，降低物联网网络的功耗势在必行。用户和制造商的目标是在不降低性能和整体物联网连接的情况下降低功耗。当需要更换电池时，设备会自动通知用户，以确保持续运行。