玉溪聊聊物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)：Wi-SUN

電水氣熱表計行業(yè)關(guān)注物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用的想必對NB-IoT和LoRa并不陌生，兩種物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)優(yōu)缺點?！?strong>沒有zui好的技術(shù)，只有zui合適的技術(shù)！”。這里介紹的是廣域模物聯(lián)網(wǎng)成員之Wi-SUN，探索一下Wi-SUN無線傳輸技術(shù)及應(yīng)用場景。

“新基建”下的Wi-SUN應(yīng)用

我們生活中接觸到的大部分網(wǎng)絡(luò)是星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，典型的如Wi-Fi，LoRaWAN，包括大家熟知的5G。當(dāng)然，每種網(wǎng)絡(luò)都有它獨到的優(yōu)勢，比如Wi-Fi的大數(shù)據(jù)吞吐、LoRa的遠(yuǎn)距離、5G系列規(guī)范下的NA，SNA帶來的無論是數(shù)據(jù)吞吐量還是海量連接量都上了一個新臺階。星型網(wǎng)絡(luò)都會遇到一個問題就是每個節(jié)點都依賴附近的基站。一旦這個基站出現(xiàn)了問題，那么它下屬的所有節(jié)點都不能正常工作。顯然，星型網(wǎng)絡(luò)缺乏靈活性。

Wi-SUN助力“新基建”

Wi-SUN（Wireless Smart Ubiquitous Network）技術(shù)基于IEEE 802.15.4g、IEEE 802和IETF IPv6標(biāo)準(zhǔn)的開放規(guī)范。Wi-SUN FAN是一種網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，定義了從物理層到傳輸層的一種組網(wǎng)技術(shù)。具有自組網(wǎng)功能和自我修復(fù)(self-healing)功能，網(wǎng)絡(luò)中的每個設(shè)備都可以與相鄰設(shè)備通信，訊息可以在網(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)點之間進行非常長距離的跳轉(zhuǎn)。

包括Wi-SUN FAN（Wireless Utility Field Area Network）和Wi-SUN HAN（Wireless Home Area Network）。

Wi-SUN傳輸技術(shù)的特性在于具備遠(yuǎn)程傳輸、安全性、可擴展性高、可互通、容易布建、Mesh網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)，加上耗電量低的特性（Wi-SUN模塊的電池壽命有機會可以使用十年之久）有利于打造廣域大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)。

Wi-SUN聯(lián)盟成立于2012年，目前已有包括Cisco思科、ARM、TI德州儀器 、Itron（全球zui大自動讀表廠商）等全球250多家會員，共同推出了150多種Wi-SUN認(rèn)證產(chǎn)品。目前Wi-SUN聯(lián)盟會員們在全球已部署超過9500萬個支持Wi-SUN的設(shè)備。

因為能使智慧電表、智慧路燈等設(shè)備連接到一個公共網(wǎng)絡(luò)上的特點，在公用事業(yè)和智能城市建設(shè)中被廣泛應(yīng)用。Wi-SUN聯(lián)盟的使命是利用開放式全球標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.15.4g，通過測試和認(rèn)證計劃提供強大的產(chǎn)品連接性，發(fā)展Wi-SUN生態(tài)系統(tǒng)，實現(xiàn)智能城市和智慧公用通信網(wǎng)路的互操作性。

● Wi-SUN的Mesh網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢

Wi-SUN規(guī)范的網(wǎng)絡(luò)層是基于6LowPAN，Wi-SUN獨有的Mesh網(wǎng)絡(luò)路徑自修復(fù)功能，可根據(jù)建筑物的遮擋程度計算路徑損耗，自動優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)路徑，所以它的“相鄰”節(jié)點間看似不相關(guān)，實際是會在“必要”時發(fā)生通信。

所以，它可以在一座城市形成一張網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。比如當(dāng)你家單元門前放了一個垃圾桶，它可能會和旁邊的路燈請求加入這張Mesh網(wǎng)絡(luò)從而變得“智能”，而不會因為基站間某棟樓宇，甚至某顆大樹的遮擋變得“弱智”。

Wi-SUN的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，可以使每個設(shè)備都可以與相鄰設(shè)備通信，這使網(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)點都可以進行非常遠(yuǎn)距離的跳轉(zhuǎn)。

同時，這個智能設(shè)備也不應(yīng)該因為旁邊蓋了棟寫字樓，而需要工程人員重新布基站，或調(diào)整基礎(chǔ)位置。

● 通訊距離和速度可以兼得

通常情況下，距離和速率不可兼得，但Wi-SUN通過Mesh組網(wǎng)與主動跳頻技術(shù)的融合，可單獨區(qū)域布置或與其它物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)互補，降低總體布建與運營成本。目前Wi-SUN 1.0在FSK模式下極大通訊速率可達300 Kbps，未來Wi-SUN 1.1的OFDM模式可達2.4Mbps，在眾無線免費頻段中獨占鰲頭。

● Wi-SUN技術(shù)三大特性

Wi-SUN技術(shù)具備以下三大特性：互操作性（Interoperability）、廣泛性與可擴展性（Ubiquitous & Scalable）、安全性。

從聯(lián)盟成立之初，就一直致力于廣域大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)的自組網(wǎng)、自修復(fù)與互聯(lián)互通，推動「智能公用事業(yè)網(wǎng)絡(luò)（Smart Utility Network）」逐漸走向「智能泛在網(wǎng)絡(luò)（Smart Ubiquitous Network）」。

在2018年10月，Wi-SUN聯(lián)盟更是推出戶外局域網(wǎng)絡(luò)（FAN）互操作性認(rèn)證計劃，由獨立第三方測試實驗室的嚴(yán)格測試，驗證企業(yè)產(chǎn)品設(shè)備是否符合IEEE 802.15.4g并可以與其他供貨商的設(shè)備進行交互操作。而通過認(rèn)證的設(shè)備可用于國內(nèi)外所有部署了Wi-SUN網(wǎng)絡(luò)的智能城市、智能（智慧）公用事業(yè)和其他物聯(lián)網(wǎng)項目。

另外基于IP的設(shè)備身份驗證與加密通信技術(shù)保證網(wǎng)絡(luò)的安全性。而數(shù)以千萬計可靠連接的端點證明基于Wi-SUN的物聯(lián)網(wǎng)Mesh網(wǎng)。

● 家庭、戶外--兩大應(yīng)用領(lǐng)域

Wi-SUN技術(shù)分別應(yīng)用在兩個領(lǐng)域：家庭局域網(wǎng)絡(luò)（Home Area Network, HAN）和戶外局域網(wǎng)絡(luò)（Field Area Network, 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的身份驗證；

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

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)點之間進行一對一或一對多的數(shù)據(jù)傳輸；

3.支持AES加密和基于802.1x的身份驗證；

4.主要應(yīng)用在家庭應(yīng)用場景，利用中心節(jié)點和家庭中各種設(shè)備進行一對一或一對多通信；

家庭局域網(wǎng)絡(luò)

當(dāng)智能電表應(yīng)用Wi-SUN通訊技術(shù)，消費者可透過家庭智能能源管理（Home Energy Management System, HEMS）控制器搭配專屬APP查看家中產(chǎn)品用電信息及電費預(yù)算設(shè)定；另一方面，對于電力公司則可以精準(zhǔn)分析用電量并主動優(yōu)化能源管控，二者皆達到節(jié)能效果。智慧城市可以利用先進的計量基礎(chǔ)設(shè)施（AMI）或街道照明網(wǎng)絡(luò)提供的現(xiàn)有無線通信基礎(chǔ)設(shè)施，以實現(xiàn)其他應(yīng)用，如智能交通信號、公共交通標(biāo)志、智能停車場、電動汽車充電站等。

戶外局域網(wǎng)絡(luò)

FAN的應(yīng)用主要面向于大型場域中的設(shè)施，如智慧電網(wǎng)、智慧路燈等，讓公共設(shè)施聯(lián)機到相同場域網(wǎng)絡(luò)并實現(xiàn)互操作性。

● Wi-SUN FAN介紹：

Wi-SUN FAN的典型應(yīng)用架構(gòu)：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)點通過不同通信方式接入到公共網(wǎng)絡(luò)。

Wi-SUN FAN的協(xié)議層對比OSI模型：

Wi-SUN FAN的協(xié)議層級

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)計的標(biāo)準(zhǔn)無線通信技術(shù)，規(guī)定了數(shù)據(jù)通過無線介質(zhì)傳輸?shù)姆绞剑x了無線電的調(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兩個子層組成，其中MAC層采用IEEE 802.15.4e規(guī)范作為介質(zhì)訪問標(biāo)準(zhǔn)，由于無線信號被Transmitter和Receiver共用，該標(biāo)準(zhǔn)提供了一種機制，來完成時分多址的數(shù)據(jù)傳輸功能以及信道訪問管理功能。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)首部通過協(xié)議壓縮分組后添加到IEEE 802.15.4的載荷中，實現(xiàn)在低功耗無線廣域網(wǎng)中使用IPv6技術(shù)完成萬物互聯(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，而是通過傳輸協(xié)議進行相互通信。截止目前為止，UDP和TCP為兩種是廣泛應(yīng)用的傳輸協(xié)議。