跳頻與擴頻：無線機器對機器接口
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盡管M2M (機器對機器) 成了當今銷售領域最流行的詞，其前身無線M2M 技術早在十年前就出現了。一個已經不為人們感興趣的術語是“遙測技術”。早期的太空計劃使用無線遙測技術從太空船中向NASA 發(fā)送數據，并將控制信號返回到太空船，無需人為干預。軍用頻率的分配方便了NASA的工作。較高的功率級別確保了可靠的通信。最近，設計人員將空間遙測技術概念應用于車輛中，如F1賽車。車載計算機可以從車輛上將數據發(fā)送到賽道旁的計算機中，后者可自動調節(jié)空氣燃油比和其它參數使賽車達到最佳性能。其它無線網絡應用包括當自動售貨機缺少貨物或需要維護時，用“call home” 手機向管理中心報告情況。在汽車領域，術語 “telematics”（無線數據通信系統）替代了過時的詞“遙測技術。”Telematics 涵蓋了娛樂、導航及緊急情況使用。General Motors 率先利用此概念研制出了OnStar service。該無線數據通信系統包括功能強大的手機、車載娛樂和導航系統。可實時下載交通路況報告，允許用戶報告緊急情況或請求援助。由于手機從汽車電池接受電源，且天線不需安裝到小型的手機上，使系統連接能力超出了手機連接的能力。
未來主義者及權威人士構想了一個M2M 網絡，其中機器連接到Internet上。這種情況的問題是它要求機器中的嵌入式系統不但要有無線模塊，而且要有針對TCP/IP （傳輸控制協議/Internet 協議）的協議堆棧和硬件。這種情況會造成這樣的問題：如何分配IP 地址給所有這些設備，然后提供DNS（域名服務器）或其它方式來尋找使用這些設備。Panasonic 把具有hard-IP 地址的網絡攝像頭構建到企業(yè)運營的服務器。如果你購買了攝像頭，就可以通過瀏覽器導航進入該網址，服務器可在攝像頭和你的瀏覽器之間建立路由。這種方法充其量是有點笨拙。某些研究人員提出一種方案，即隨機地分配IP 地址到各部分設備中（參考文獻1）。他們指出IPv6 (IP 版本 6) 提供了2128 個地址，足夠在每平方米地面上容納6.61023 個設備。
較大片的無線M2M 網絡作為子網存在于Web中，通常沒有路由或IP。要從Web 獲取數據到子網中，需要安裝路由器和網關。所有這些現實情況都有悖于每個無線 M2M網絡節(jié)點價格低于2美元、都能連接到Web的宣傳。憑自身能力而完善的計算機路由器和網關會抵消任何網絡的低成本優(yōu)勢。僅在幾年前，人們還認為藍牙會消除小轎車、桌面及工作臺上的所有線纜。但實際上，藍牙作為一種無線耳機支持技術，還是有兩英尺尾巴――從你的腰帶連到耳朵上。無線網絡的現狀包括高成本的編寫與標準化高級協議，以使這些設備尋找并連接其它設備。當工程師們達到該目標后，他們認識到這些設備需要安全性，否則任何人都可窺探你的PDA 或手機。任何特別的或自我安排的無線M2M 系統都必須處理好這些問題。這些令人好奇的實驗室新鮮玩意，對于只出于純粹的破壞欲而破壞你的數據的青少年并沒有多大用處。
讓我們來看看M2M無線網絡的好處與不利之處。M2M無線設備現在不是使用原有的手機網絡就是使用新興的ISM網絡，后者使用800MHz、900MHz、及2.4GHz 頻段。在不遠的將來，運行在10GHz到20GHz的批準頻段及未批準的2GHz到11GHz 頻段的WiMax 網絡將會是主要的趨勢。手機企業(yè)和計算機巨頭，如 Intel，也在關注著50MHz 到200MHz的模擬TV 帶寬。這些頻段的低頻允許設備以較低的功耗達到較長信號傳播距離，而且無論風雨，都不會影響其接收效果。盡管WiMax正在增長，但畢竟還只是未來的技術。如今兩種占優(yōu)勢的無線技術是 手機與IEEE 802-style ISM技術。
手機網絡有傳播距離長和部署廣泛的優(yōu)勢。許多現場應用工程師很難找到無線IEEE 802 熱點，但公司給他們Verizon 和ATT PC 卡后，就可以通過手機系統連接到Web。他們就可以從美國的任何地點檢查并發(fā)送電子郵件。使用手機網絡的M2M 網絡也會有相同的優(yōu)勢。結果，移動和遠程應用，如OnStar 和長途運輸車隊，通過將一個GPS (全球定位系統) 接收機添加到無線模塊上來監(jiān)測車輛位置，采用了基于峰窩的連接。此特性幫助車隊主人分析路線，并有監(jiān)測能力來檢查駕駛人員的行為。同樣，一個橋接結構中可使用傳感器來監(jiān)測應力、流量及降級等。這些傳感器可連接到維護與公路控制計算機系統，當出現地震或事故，如結構損壞時，提供緊急情況警告。這些基于手機的系統成本高、功耗大。無線模塊的成本由于消費者手機的普及而迅速下降。但使用網絡的成本仍然很高，原因是由于電訊公司掠奪性的定價模式：按連接或分鐘收費，而M2M 系統一般只需發(fā)送幾個字節(jié)的數據。
將設備直接連接到Internet 并非總是必須的。ZigBee的支持者正在將數以十計、百計甚至上千個傳感器連接到一個中央節(jié)點或協調器上。如果需要從Internet發(fā)送或接收數據，可以安裝一個網關。盡管ZigBee 網不是常規(guī)的子網，并使用分組路由及其它復雜技術來將數據在同類設備之間路由或路由到中央協調器。傳統的ZigBee 應用為HVAC （供暖/通風/空調）和建筑物中燈光控制，以及工廠或現場的數據采集。一個巧妙的應用是將ZigBee 節(jié)點嵌入到道路中的反射凸點上（圖4）。這些節(jié)點可以實時地監(jiān)測并報告停車場地實時利用情況，允許采集數據，判斷是否有人向汽車停放收費機交錢（參考文獻3）。盡管某些工業(yè)參與者將RFID 方案納入無線M2M 網絡，其它一些人還是認為該項技術為一個特殊的市場。
而且ZigBee 網絡設備在全球頻段的2.4GHz上工作，能以240kbps的速率發(fā)送數據，那些使用915MHz 的美國ISM頻段速率為40kbps，使用868MHz的歐洲ISM頻段速率只達到20kbps。因此，盡管你想要將設備移出擁擠的2.4GHz頻段來工作，但較慢的數據速率會以更短的電池壽命使你花費更大。
手機無線網絡會給你“無處不在”的連接，但不能提供“永遠實時連接”。一個可靠的連接也許會使用專有網絡和頻率，這意味著就不能依靠低成本的 ZigBee設計協議。智能的自身修復設備構成了也許不是最昂貴的特殊網絡。干擾、網絡拓撲與設備協議等因素都會對電池壽命有不良影響。
不利之處
擴頻技術并不能帶來無限可用的帶寬。這些技術讓發(fā)射機共享帶寬，但每增加一個發(fā)射機都會降低其它發(fā)射機的數據速率和傳輸范圍。如果所有的發(fā)射機使用相同的協議，則對兩者都會有影響。2.4GHz ISM 頻段提供了干擾如何使所有的設備在此頻段上無法工作的例子（參考文獻4）。未經批準的 ISM 頻段在設計上就包括了干擾源。這些未批準的2.4GHz 頻段的開發(fā)人員進行這種設計，是因為微波爐磁控管在此頻率上工作。這些微波爐對無線干擾會有較小但值得重視的影響。更麻煩的是，傳導熱量和融化的硫燈在此頻段中提供了更多與通信無關的干擾。這些干擾源很受關注，允許使用的2.4GHz 頻段有很多，由于FCC（美國聯邦通信委員會）和其它管理機構允許多協議，使在某些領域的連接并不可靠。這些協議包括藍牙協議采用的FHSS（跳頻擴頻技術）。女影星兼通信技術發(fā)明人Hedy Lamarr 在飾演鋼琴師時發(fā)明了跳頻無線電技術（圖5 和參考文獻 5）。在二戰(zhàn)期間，她認為秘密電臺通信能在戰(zhàn)爭中起重大作用。她覺得接收機可以像發(fā)射機一樣跳到不同的頻率，正如所飾演鋼琴師彈琴鍵一樣她的手指可跳到不同的琴鍵。這種認識實現了電臺間可互相通信，并能防止竊聽。
藍牙協議將83 MHz 寬的2.4GHz ISM 頻段分成79個1MHz 的片段。藍牙設備可在32個頻率間以最大1600 次跳/秒的速率跳躍。兩個并列的藍牙設備互相干擾的機會只有1/79了。當這種情況出現時，高級協議要求系統重新發(fā)送丟失的數據包。如果藍牙設備跳到ZigBee 或Wi-Fi LAN的頻率中，也會干擾這些設備。
客戶無法滿足的帶寬需要促成了能提供11Mbps 速度的802.11b 標準。這些系統使用DSSS 技術，其中無線電使用83MHz 的22MHz 到2.4GHz ISM 頻段。PRBS（偽隨機二進制序列）相位在該頻段中調制頻率。與FHSS不同，DSSS 繼續(xù)轉變而不是在離散的頻率上跳躍。 手機實施DSSS 允許多個發(fā)射機在相同的頻段工作?？上В琖i-Fi LAN使用的11 位Barker 代碼提供了不充足的代碼增益以允許CDMA（碼分多址），盡管高級協議實施了CSMA（載波偵聽多路訪問）。發(fā)射機檢測其它發(fā)射機等待的時間，直到信道寂靜后，才能開始傳輸。802.11b的帶寬分別只允許三個到四個設備在那些受FCC 和歐洲標準約束的國家中同時運行。如果有最大數量的設備在工作，就會出現對藍牙、WirelessUSB、無繩電話和ZigBee 的干擾。
無線USB 可以是在3GHz及更高頻率上的寬帶無線電，但Cypress Semiconductor 還開發(fā)了2.4GHz Wireles sUSB 標準。像藍牙一樣，這種標準將2.4GHz 頻段分成了79個1MHz 寬的頻段，Cypress使用DSSS 而不是FHSS 來調制信號。連接并不會跳躍 79 個頻段，而只在一個頻段上工作。與這個實施相關的問題是頻率捷變，如果不能在一個頻率上建立或維持良好的連接，就會跳到其它頻率。WirelessUSB 的開發(fā)人員將其目標定為代替線纜上，它具有較低數據速率的HID（人機接口設備）。2.4GHz ZigBee協議將該頻段分成16個3MHz 寬的信道，每隔5MHz就有一個。采用DSSS 來調制信號，并不在16 個信道間跳躍，也不提供頻率捷變。無繩電話和嬰兒監(jiān)視器使用2.4GHz ISM 頻段。無繩電話可以使用FHSS 或DSSS。他們一般將2.4GHz 頻段分成10 到20 個信道。電話很少有頻率捷變，但允許用戶選擇一個工作信道，以避免噪聲。
圖6 顯示了2.4GHz 頻段中的所有無線電和協議。如果將頻譜當作一個生態(tài)系統，可以將Wi-Fi 無線局域網視為食物鏈頂部的獅子。它們占用了大量的帶寬，在忙時會吞沒該區(qū)域的其它傳輸信號。藍牙設備像昆蟲在其79 個1MHz 的頻段中游 走。它們到處游蕩并且在不確定的時間出現，取決于是否有帶耳機的人行走。如果藍牙設備是昆蟲，則ZigBee 就像土撥鼠，不時抬起頭看看春天是否來到了。它占用了頻段的較寬部分，但使用并不頻繁。由于土撥鼠并不敏捷，且其洞穴總是在相同的頻率上。Cypress WirelessUSB 就像鬣狗，一個敏捷的獵手，總是翻找清晰的頻率來工作。一旦它發(fā)現了頻率，就停留在那里，連續(xù)地發(fā)出低速率的信息。生態(tài)系統的最大問題是無繩電話。無繩電話就像老虎，可以吞掉一切生物。它們發(fā)送強大的信號，淹沒了叢林中所有的其它動物。因此，幾個Wi-Fi LAN 生產商建議客戶不要使用無繩電話。未批準的2.4GHz 頻段并不是無人管理的，FCC只確定了其電源等級。DSSS與FHSS調制方案的混合會對兩種設備造成某些問題。
兩種緩和因素為此帶來希望：地區(qū)與某些無線設備不常使用的傳輸。即使能量較低的藍牙發(fā)射機也比20 碼遠的無線LAN功率大。Dust Networks的工程師正努力克服這兩個缺點。Dust并不能嚴格地實現ZigBee標準，因為該公司提供了頻率捷變，Dust的設備可跳到不同的ZigBee頻率以獲得一個清晰的信道。Texas Instruments 也作了類似的努力。該公司在2005 年并購了ZigBee 的先驅 Chipcon。TI的新 ZigBee 發(fā)射機能以比ZigBee規(guī)范更高的敏感度和選擇性來擴展無線電傳播范圍和抑制任何干擾。另一方法是使用一個不太擁擠的頻段。 所有的ZigBee廠商的設備可以工作在800MHz 和900MHz 頻段，而不是擁擠的2.4GHz 頻段。較低的頻率可提高傳播范圍。Zarlink 提供了不可移植的無線電芯片ZL70101，使用400MHz 到405MHz 的MICS（ 醫(yī)療植入通信服務）頻段。設備以MAC（介質訪問控制）提供了800kbps 數據速率，其中包括Reed-Solomon編碼FEC（向前糾錯）和CRC （循環(huán)冗余校驗） 錯誤檢測和重新發(fā)送來實現可靠的數據鏈路。
一個創(chuàng)新企業(yè)發(fā)現了構建光控產品的市場比ZigBee支持者所構想的網狀網絡更為簡單。PulseSwitch Systems 的光控開關(Lightning Switch)使用壓電驅動的發(fā)射機將代碼發(fā)送到500W 交流線路控制器，控制器使用fob與遙控車庫門采用的434MHz 頻率。發(fā)射機不需要電池，因為用戶在撥動開關時即可產生能量。“雖然某些遙控車庫門開啟系統和遙控車閂鎖系統使用了FCC分配的相同頻率，但我們的發(fā)射機不會打開別人的車庫或車輛，”PulseSwitch 工程部總監(jiān)Jeff Rogers 說。“我們使用一項獲得專利的ID 代碼系統，與車鎖和遙控車庫門開啟系統所用的方式不同?！庇?.68 億個代碼可供使用，他說，在相同的房間里可以有相同號的發(fā)射機接收機對，但它們彼此間或與其它工作于ISM頻率上的設備間不會互相干擾。
試想有一種應用，到了排放檢測的時候，DMV （機動車管理局）可以用來與你的車輛通信。車輛就會采集并傳回污染性能數據（無須人為干預），實時通過路況條件和驅動周期數等。您就不必再去做排放檢測了。然而，看一看藍牙技術應用經歷了一個漫長的過程才為人們接受，現在已成為人們生活中必不可少的一部分。EDN 責任編輯 Ron Wilson 指出，“可以從先驅者背后的箭頭上認出他們。”Ricochet mobile 無線網絡為沒有成功的早期無線網狀網絡。M2M 的現實既不是可憐的失敗也不是巨大的成功，而是處于兩者之間。當有些人發(fā)明了殺手級應用時，我們都會一拍腦門問道，“ 為什么我沒有想到？”
參考文獻
1.Gershenfeld,Neil,andDannyCohen,“Internet?:InterdeviceInternetworking,”TheMITCenterforBitsandAtoms,SunMicrosystems,Aug14,2006.
2.Dipert,Brian,“Rocketfish:SpectrumShark,”EDN,May6,2007.
3.VanHorn,John,“SystemDataShowHalfofMeterIncomeGoesUncollected,”ParkingToday,pg24,March2007.
4.Burns,John,RichardRudd,andZoranSpasojevic,“Compatibilitybetween無線communicationISMsystemsinthe2.4GHzfrequencyband,”AegisInc,June24,1999.
5.Markey,Hedy,andGeorgeAntheil,SecretCommunicationsSystem,Patent2,292,387,August1942.
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