工業(yè)聯(lián)網(wǎng)機(jī)器能感測(cè)種類眾多的信息，而這些信息可用來在工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)(IIoT)環(huán)境中制定關(guān)鍵決策。 位于邊緣節(jié)點(diǎn)內(nèi)的傳感器可能遠(yuǎn)離任何數(shù)據(jù)匯集點(diǎn)(Data Aggregation Point)，在其過程中，必須透過網(wǎng)關(guān)才能鏈接，而這類網(wǎng)關(guān)主要負(fù)責(zé)向網(wǎng)絡(luò)傳送邊緣數(shù)據(jù)。

　　傳感器構(gòu)成IIoT體系的前端，我們藉由量測(cè)數(shù)據(jù)，將所感測(cè)到的信息轉(zhuǎn)成可量化的數(shù)據(jù)，例如壓力、排水量或旋轉(zhuǎn)次數(shù)。 而數(shù)據(jù)經(jīng)過過濾之后，則會(huì)挑選出最寶貴的信息，之后從節(jié)點(diǎn)回送到后端系統(tǒng)進(jìn)行處理。 低延遲的聯(lián)機(jī)可讓系統(tǒng)在一收到關(guān)鍵數(shù)據(jù)后便能立即進(jìn)行關(guān)鍵決策。

　　邊緣節(jié)點(diǎn)一般都必須透過有線或無線傳感器節(jié)點(diǎn)(WSN)連接至網(wǎng)絡(luò)。 在這段訊號(hào)鏈中，數(shù)據(jù)完整性仍非常重要。 如果通訊不連續(xù)、斷線或質(zhì)量下降，優(yōu)化感測(cè)與量測(cè)的數(shù)據(jù)就沒有價(jià)值可言。 在設(shè)計(jì)系統(tǒng)架構(gòu)時(shí)，最先考慮到的就是穩(wěn)健的通訊協(xié)議。 最佳選擇取決于各項(xiàng)鏈接需求，包括距離、帶寬、功率、互操作性、安全性以及可靠性。

　　對(duì)于如EtherNet/IP、KNX、DALI、PROFINET，以及ModbusTCP這類極度要求聯(lián)機(jī)穩(wěn)定性的技術(shù)而言，有線工業(yè)通訊扮演著關(guān)鍵角色。 設(shè)置范圍深入廠區(qū)各角落的傳感器節(jié)點(diǎn)是使用無線網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)關(guān)進(jìn)行通訊，而網(wǎng)關(guān)則依賴有線基礎(chǔ)設(shè)施來鏈接到主系統(tǒng)。

　　傳感器節(jié)點(diǎn)須具備聯(lián)網(wǎng)能力

　　未來只有少數(shù)聯(lián)網(wǎng)IoT節(jié)點(diǎn)會(huì)單獨(dú)采用有線通訊，大多數(shù)這類裝置將會(huì)采用無線網(wǎng)絡(luò)。 高效率的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)鏈接策略，必須讓傳感器能設(shè)置在任何能感測(cè)到寶貴信息的位置，不能局限于目前已安裝通訊與電源設(shè)備的區(qū)域。

　　傳感器節(jié)點(diǎn)須具備一種和網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通訊的方法。 隨著工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)框架對(duì)映到此類鏈接的更高階通訊協(xié)議，預(yù)期有線通訊部分仍會(huì)沿用以太網(wǎng)絡(luò)。 以太網(wǎng)絡(luò)的建置范圍從10Mbps涵蓋100Gbps以上的傳輸率。 而高階速度部分通常瞄準(zhǔn)的，是因特網(wǎng)連接到云端服務(wù)器主機(jī)群之間的骨干線路。

　　諸如KNX這類速度較慢的工業(yè)網(wǎng)絡(luò)，其采用雙絞銅線傳送差動(dòng)訊號(hào)，使用30伏特電力，總帶寬為9600bps。 由于每個(gè)網(wǎng)段(Segment)能支持的地址有限(256個(gè))，因此尋址機(jī)制最高可支持65,536個(gè)裝置。 每個(gè)網(wǎng)段最大傳輸距離為1,000公尺，用戶可選擇配置中繼器，每個(gè)中繼器最多支持4個(gè)網(wǎng)段。

　　工業(yè)環(huán)境無線網(wǎng)絡(luò)面臨多重挑戰(zhàn)

　　當(dāng)IIoT無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)者在考慮該采用何種通訊與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)時(shí)，將發(fā)現(xiàn)自己正面臨著許多挑戰(zhàn)。 他們必須從更高的立場(chǎng)來考慮以下限制:

　　. 傳輸距離

　　. 間歇或持續(xù)式鏈接

　　. 帶寬

　　. 功率

　　. 互操作性

　　. 安全性

　　. 可靠性

　　傳輸距離

　　這里所謂的距離，所指的是聯(lián)網(wǎng)IIoT裝置數(shù)據(jù)傳送數(shù)據(jù)經(jīng)過的距離。 短距個(gè)人局域網(wǎng)絡(luò)(PAN)的傳輸距離為公尺等級(jí)(圖1)，如藍(lán)牙低功耗(BLE)這類技術(shù)就適合用來對(duì)設(shè)備進(jìn)行試營(yíng)運(yùn)。 而傳輸距離達(dá)數(shù)百公尺的局域網(wǎng)絡(luò)(LAN)則可用來在同一棟建筑內(nèi)安裝各種自動(dòng)化傳感器。 至于傳輸距離達(dá)數(shù)公里的廣域網(wǎng)(WAN)，其應(yīng)用則包括了在占地廣闊的農(nóng)場(chǎng)內(nèi)安裝各種農(nóng)業(yè)傳感器。

　　圖1 短距離無線鏈接

　　所挑選的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議應(yīng)匹配工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)使用情境所需要的傳輸距離。 舉例而言，對(duì)于傳輸距離數(shù)十公尺的室內(nèi)局域網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用而言，4G手機(jī)網(wǎng)絡(luò)在復(fù)雜度與功率方面都不太合適。 當(dāng)傳送數(shù)據(jù)距離面臨挑戰(zhàn)時(shí)，邊緣運(yùn)算就會(huì)是一種可行的替代方案。 我們可以在邊緣節(jié)點(diǎn)直接進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，而不必將數(shù)據(jù)回傳到主系統(tǒng)進(jìn)行處理。

　　傳輸無線電波的功率強(qiáng)度和傳輸距離平方成反比。 訊號(hào)功率強(qiáng)度和無線電波經(jīng)過的距離平方成反比，因此當(dāng)傳輸距離加倍，接收端收到無線電波的功率只有原始功率的四分之一。 傳送輸出訊號(hào)功率每增加6dBm時(shí)，傳送距離就會(huì)增加一倍。

　　在理想的無障礙傳輸空間當(dāng)中，平方反比定律是唯一影響傳輸距離的因素。 然而，現(xiàn)實(shí)世界的傳輸距離會(huì)因傳輸途徑上包括墻壁、柵欄、植物等物體的阻隔而衰減。

　　此外，空氣中的水氣也會(huì)吸收射頻能量。 金屬物體則會(huì)反射無線電波，造成二次訊號(hào)(Secondary Signals)在不同時(shí)間點(diǎn)抵達(dá)接收端，另外額外的功率耗損也會(huì)形成破壞性的干擾。

　　無線電接收器靈敏度會(huì)決定最大傳播路徑損耗。 舉例來說，在2.4GHz工業(yè)/科學(xué)/醫(yī)療(ISM)頻段，最小接收器靈敏度為–85dBm。 RF幅射能均勻朝各方向傳播，強(qiáng)度等高線會(huì)形成一個(gè)球狀(A= 4πR2)，其中R是發(fā)送端到接收端之間的距離，單位為公尺。 根據(jù)弗林斯(Friis)傳輸公式，自由空間損耗(FSPL)和發(fā)送端與接收端之間的距離平方以及無線電訊號(hào)頻率的平方成正比。

　　公式中的Pt=傳輸功率單位為瓦，S=在距離R處的功率。

　　公式中的Pr=接收功率，單位為瓦。

　　λ(傳輸訊號(hào)波長(zhǎng)，單位為公尺)=c(光速)/頻率f(Hz)=3×108(m/s2)/f(Hz)或300/f(MHz)

　　其中f=傳輸頻率

　　若已知傳輸頻率以及要傳送的距離，那么即可根據(jù)FPSL推算出傳送與接收端的數(shù)據(jù)。 鏈路預(yù)算如公式1所示。

　　Received power(dBm)=Transmitted power(dBm)+gains(dB)–losses...... 公式1

　　帶寬與鏈接

　　帶寬是指單位時(shí)間內(nèi)傳送數(shù)據(jù)的速率。 帶寬局限了IIoT傳感器節(jié)點(diǎn)搜集數(shù)據(jù)以及傳出數(shù)據(jù)的最大速率。 所考慮的因素如下:

　　. 每個(gè)裝置在經(jīng)過一定時(shí)間后產(chǎn)生的數(shù)據(jù)總量。

　　. 部署并匯集到某個(gè)網(wǎng)關(guān)的節(jié)點(diǎn)數(shù)量。

　　. 考慮持續(xù)或間歇性高峰的傳輸模式，需要多少可用帶寬才足以滿足尖峰時(shí)段的需求。

　　網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的封包大小應(yīng)配合傳輸數(shù)據(jù)的量。 傳輸封包若塞滿空白數(shù)據(jù)，這種協(xié)議的效率就不高。 但將較大塊的封包細(xì)切成許多較小的數(shù)據(jù)封包分開傳送，也得付出耗費(fèi)資源的代價(jià)。 IIoT裝置并不會(huì)隨時(shí)連上網(wǎng)絡(luò)，而是只會(huì)每隔一段時(shí)間傳送完數(shù)據(jù)后就脫機(jī)，藉以節(jié)省電力或帶寬資源。

　　功率與互操作性

　　如果使用電池的IIoT裝置須要節(jié)省電力，那么裝置只要一閑置就必須馬上切換至休眠模式。 我們可依據(jù)不同的網(wǎng)絡(luò)負(fù)載狀態(tài)，著手調(diào)整裝置的耗電模式，如此將有助于讓裝置的供電與電池容量能夠配合傳送必要數(shù)據(jù)所需耗用的電力。

　　網(wǎng)絡(luò)中可能出現(xiàn)各種不同節(jié)點(diǎn)之間的互操作性勢(shì)必成為一大難題。 業(yè)界傳統(tǒng)的作法是采用標(biāo)準(zhǔn)有線與無線通信協(xié)議，藉以維持因特網(wǎng)內(nèi)的互操作性。 新興的IIoT產(chǎn)品由于必須配合新釋出技術(shù)的快速步調(diào)，而導(dǎo)致標(biāo)準(zhǔn)化的工作困難重重。 IIoT產(chǎn)業(yè)體系是建立在各項(xiàng)最佳技術(shù)的基礎(chǔ)之上，而這些技術(shù)則關(guān)乎市面上可取得的解決方案。 如果技術(shù)被各界廣泛采納，那么達(dá)成長(zhǎng)期互操作性的機(jī)率就會(huì)更高。

　　安全

　　IIoT網(wǎng)絡(luò)安全性在系統(tǒng)中扮演三方面的重要角色：分別為機(jī)密性、完整性，以及真實(shí)性。 要維持機(jī)密性，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)必須全程處在已知框架內(nèi)，不能泄露給外部裝置或被外部裝置截收。

　　而要維護(hù)數(shù)據(jù)完整性，訊號(hào)內(nèi)容則必須維持與發(fā)出時(shí)的狀態(tài)完全一致，不能被變更、截短或添增信息。 至于要維持真實(shí)性，接收數(shù)據(jù)則必須確定來自預(yù)期的來源，排除其他來源的訊息。 和偽節(jié)點(diǎn)進(jìn)行錯(cuò)誤的通訊，即是喪失真實(shí)性的例子。

　　即使是安全無虞的無線節(jié)點(diǎn)，一旦介接(Interfacing)到非安全的網(wǎng)關(guān)時(shí)，也會(huì)形成漏洞，使得有心人士能得到一個(gè)入侵的破口。 數(shù)據(jù)時(shí)戳能協(xié)助辨識(shí)訊號(hào)是否經(jīng)過跳頻，以及透過側(cè)支頻道(Side Channel)重新傳輸。 時(shí)戳還能用來正確重組亂序傳輸?shù)年P(guān)鍵數(shù)據(jù)，讓傳輸封包經(jīng)過眾多非協(xié)調(diào)運(yùn)行的傳感器之后還能還原出原始數(shù)據(jù)。

　　AES-128加密標(biāo)準(zhǔn)的安全支持，可依循IEEE 802.15.4以及IEEE 802.11內(nèi)的AES-128/256規(guī)范。 密鑰管理、譯密質(zhì)量的亂碼生成(RNG)，以及網(wǎng)絡(luò)接取控制列表(ACL)，這些都有助于提高通訊網(wǎng)絡(luò)的安全屏障。

　　頻段

　　有些IoT無線傳感器會(huì)用到手機(jī)基礎(chǔ)建設(shè)中的有照頻段，不過這類傳感器通常屬于高耗電的裝置。 其中一個(gè)例子就是車載資通訊系統(tǒng)，這類系統(tǒng)若想要將搜集到的行動(dòng)信息透過短距無線通信技術(shù)傳送出去，實(shí)務(wù)上并不可行。 另一方面，其他許多低功耗工業(yè)應(yīng)用則是采用ISM頻段中的免執(zhí)照頻段。

　　IEEE 802.15.4低功率無線通信標(biāo)準(zhǔn)是許多任務(wù)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的理想技術(shù)，其采用的頻段包括2.4GHz、915MHz，以及868MHz部分的ISM頻段，總共有27個(gè)頻道可供多射頻頻道跳頻之用(表1)。

　　全球各地可用的免執(zhí)照頻段，其物理層方面的支持并不一致。 歐洲方面在868 MHz頻率上提供600kHz寬的Channel 0頻道，而北美則在915MHz上提供10個(gè)2MHz寬的頻段。 全球其他地區(qū)則在2.4 GHz頻率上提供5MHz寬的Channel 11到Channel 26頻道。

　　低功耗藍(lán)牙提供功耗大幅降低的解決方案。 低功耗藍(lán)牙并不適合用來傳送檔案，比較適合傳送小量數(shù)據(jù)。 低功耗藍(lán)牙的一大優(yōu)勢(shì)是滲透率遠(yuǎn)高于其他對(duì)手，目前已經(jīng)廣泛整合到各種行動(dòng)裝置。 Bluetooth 4.2核心規(guī)格采用的是2.4GHz的ISM公用頻段，傳輸距離為50到150公尺，使用高斯(Gaussian)頻移調(diào)變機(jī)制可達(dá)到1Mbps的數(shù)據(jù)傳輸率。

　　為一個(gè)IIoT解決方案決定采用哪個(gè)最佳頻率時(shí)，應(yīng)該考慮到2.4GHz ISM解決方案的優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)：

　　優(yōu)點(diǎn)

　　. 在絕大多數(shù)國(guó)家都不必取得執(zhí)照。

　　. 相同解決方案可以在各地市場(chǎng)銷售。

　　. 83.5MHz的帶寬足夠分成多個(gè)頻道，透過多個(gè)頻道同步傳輸以達(dá)到高數(shù)據(jù)傳輸率。

　　. 工作周期(Duty Cycle)可達(dá)到100%。

　　. 天線尺寸比1GHz頻段的天線來得還要小。

　　缺點(diǎn)

　　. 相同輸出功率下，傳輸距離比1GHz頻段來得短。

　　. 高滲透率衍生出許多干擾訊號(hào)。

　　通訊協(xié)議

　　在通訊系統(tǒng)中會(huì)運(yùn)用一整套規(guī)則與標(biāo)準(zhǔn)來規(guī)范數(shù)據(jù)如何構(gòu)成，以及如何控制數(shù)據(jù)的交換。 例如開放系統(tǒng)互連(OSI)模型就將通訊分成多個(gè)功能層，讓各界更容易建置可擴(kuò)充的互通網(wǎng)絡(luò)。 OSI模型分成7層(圖2)，包括實(shí)體(PHY)、數(shù)據(jù)鏈路、網(wǎng)絡(luò)、傳輸、交談、表達(dá)，以及應(yīng)用等分層。

　　圖2 OSI與TCP/IP模型

　　IEEE 802.15.4與802.11(Wi-Fi)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的是媒體訪問控制(MAC)數(shù)據(jù)鏈結(jié)子層及物理層。 彼此靠近的802.11基地臺(tái)可能各自使用其中一個(gè)非重迭頻道，以降低干擾效應(yīng)(圖3)。 802.11g使用的調(diào)變機(jī)制為正交載波分頻多任務(wù)(OFDM)，以下我們將介紹一種比IEEE 802.15.4還復(fù)雜的機(jī)制。

　　圖3 全球通用IEEE 802.15.4物理層Channel 11至Channel 26以及IEEE 802.11g Channel 1至Channel 14頻道

　　鏈結(jié)層提供將無線電波訊號(hào)轉(zhuǎn)換成位數(shù)據(jù)，以及從位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成模擬訊號(hào)的機(jī)制。 這個(gè)分層還負(fù)責(zé)執(zhí)行可靠通訊，以及管理無線電頻道的存取作業(yè)。 網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)控制數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)上傳遞的路徑及尋址作業(yè)。 在這個(gè)分層中，因特網(wǎng)協(xié)議(IP)負(fù)責(zé)提供IP網(wǎng)址，以及將IP封包從某個(gè)節(jié)點(diǎn)傳到另一個(gè)節(jié)點(diǎn)。

　　在網(wǎng)絡(luò)的兩端運(yùn)行應(yīng)用交談(Session)時(shí)，傳輸層會(huì)產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的通訊交談程序。 這個(gè)設(shè)計(jì)讓一個(gè)裝置能同時(shí)運(yùn)行多個(gè)應(yīng)用，而每個(gè)應(yīng)用分別使用自己的通訊頻道。 因特網(wǎng)上的連網(wǎng)裝置大多數(shù)是使用傳輸控制協(xié)議(TCP)來作為默認(rèn)的傳輸協(xié)議。

　　應(yīng)用層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的格式及控管工作，讓節(jié)點(diǎn)傳感器的特定應(yīng)用其傳輸數(shù)據(jù)流達(dá)到優(yōu)化。 TCP/IP堆棧內(nèi)其中一個(gè)廣受歡迎的應(yīng)用層協(xié)議，便是超文本傳輸通訊協(xié)議(HTTP)，此協(xié)議是開發(fā)來用于因特網(wǎng)上傳遞數(shù)據(jù)。

　　美國(guó)聯(lián)邦通訊委員會(huì)FCC Part 15規(guī)則將ISM頻段的有效傳輸功率限制在36dBm。 其中一項(xiàng)例外，就是讓使用2.4GHz頻段的固定點(diǎn)對(duì)點(diǎn)鏈結(jié)能使用24dBi增益的天線，以及24dBm傳輸功率，讓總有效等向射頻功率(EIRP)達(dá)到48dBm。 傳輸功率應(yīng)至少能達(dá)到1毫瓦。 想要使封包錯(cuò)誤率小于1%，那么接收器的靈敏度應(yīng)能接收到2.4GHz頻段的–85dBm訊號(hào)，以及接收868MHz與915MHz頻段上強(qiáng)度–9dBm的訊號(hào)。

　　舊地增建或新地設(shè)置

　　工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)必須有眾多有線與無線標(biāo)準(zhǔn)鼎力支持才能上線運(yùn)行，但想運(yùn)用現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)建構(gòu)IIoT則目前的選項(xiàng)數(shù)量并不多。 新開發(fā)的IIoT解決方案必須進(jìn)行調(diào)整才能融入網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。

　　新地設(shè)置(Greenfield)是在全新環(huán)境中從頭創(chuàng)建新系統(tǒng)，不會(huì)有舊設(shè)備形成的限制與拘束。 例如興建一處新工廠或倉(cāng)庫(kù)，可考慮將IIoT解決方案裝設(shè)在建筑物的鋼骨內(nèi)以達(dá)到最佳的效能。

　　舊設(shè)施增建(Brownfield)則是在現(xiàn)有基礎(chǔ)設(shè)施內(nèi)裝設(shè)IIoT網(wǎng)絡(luò)，面臨的挑戰(zhàn)會(huì)更加嚴(yán)峻。 舊有網(wǎng)絡(luò)可能不適合用來運(yùn)行物聯(lián)網(wǎng)，但新的IIoT系統(tǒng)卻必須和任何已安裝的系統(tǒng)并存運(yùn)行，而這些舊系統(tǒng)往往是射頻干擾訊號(hào)的來源。 開發(fā)者必須承接舊環(huán)境中留下包括硬件、嵌入式軟件，以及先前設(shè)計(jì)決策所形成的限制。 于是開發(fā)流程變得極為繁瑣，須審慎仔細(xì)地分析、設(shè)計(jì)及測(cè)試。

　　網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/strong>

　　IEEE 802.15.4協(xié)議提供兩種裝置類別。 全功能裝置(FFD)可用在任何拓?fù)洌⒛芎腿魏纹渌b置通訊，作為PAN協(xié)調(diào)器(Coordinator)。 精簡(jiǎn)功能裝置(RFD)則僅能裝在星狀拓?fù)?，且不能作為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。 在IEEE 802.15.4規(guī)范的簡(jiǎn)單建置環(huán)境中只需要一個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。 用戶可根據(jù)應(yīng)用形態(tài)挑選適合的網(wǎng)絡(luò)模型，包括對(duì)等式(Peer-to-peer)、星型、網(wǎng)狀以及多點(diǎn)跳躍(Multihop)(圖4)。

　　圖4 對(duì)等式、星型、網(wǎng)狀及多點(diǎn)跳躍拓?fù)?/em>

　　對(duì)等式拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)將兩個(gè)節(jié)點(diǎn)簡(jiǎn)單地鏈接，但沒有運(yùn)用任何智能來擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)鏈接距離。 這種拓?fù)涞慕M建速度快，但一旦有節(jié)點(diǎn)故障時(shí)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)就會(huì)停擺，完全沒有冗余性可言。

　　星型拓?fù)鋭t延展了幅射狀網(wǎng)絡(luò)的距離，并拉大兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的傳輸長(zhǎng)度，如同使用FFD節(jié)點(diǎn)一般，主控端能和多個(gè)RFD節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通訊，但每個(gè)RFD節(jié)點(diǎn)仍然只能和路由器通訊。 只要不是FFD，這種拓?fù)渲屑词褂幸粋€(gè)節(jié)點(diǎn)故障(Single Point of Failure)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)還能繼續(xù)運(yùn)作。

　　網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渥屓魏喂?jié)點(diǎn)能跳過其他節(jié)點(diǎn)相互通訊，藉此提供冗余的通訊路徑以提高網(wǎng)絡(luò)的強(qiáng)度。 智能網(wǎng)狀拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)能以最少跳躍的路徑進(jìn)行通訊，藉以減少耗電與傳輸延遲。 這種具備自我組網(wǎng)(Self-Organization)機(jī)制的拓?fù)淠芤驊?yīng)環(huán)境變化進(jìn)行調(diào)適，允許節(jié)點(diǎn)自由加入網(wǎng)絡(luò)或從網(wǎng)絡(luò)抽離。

　　可靠性

　　IIoT用戶最重視的就是可靠度與安全性。 組織通常會(huì)依賴大型復(fù)雜叢集來執(zhí)行數(shù)據(jù)分析，但這些系統(tǒng)往往在包括數(shù)據(jù)傳輸、建立索引、擷取數(shù)據(jù)、轉(zhuǎn)型，以及負(fù)載處理等方面出現(xiàn)瓶頸。 想要在下游叢集避免出現(xiàn)瓶頸，那么每個(gè)邊緣節(jié)點(diǎn)須進(jìn)行高效率的通訊就變得非常重要。

　　工業(yè)環(huán)境對(duì)于高效率射頻電波傳遞而言是極為嚴(yán)苛的場(chǎng)所。 大型、不規(guī)則形狀、高密度設(shè)置的金屬材質(zhì)廠房設(shè)備、水泥墻、隔間及金屬貨架，都會(huì)產(chǎn)生多路徑電波傳遞的狀況。

　　電波朝各方向從發(fā)送端天線射出， 「多路徑」則是指電波經(jīng)過環(huán)境傳播(Environmental Propagation)后在傳抵接收器之前出現(xiàn)波形變化的狀況。 接收器看到的入射波分成三類，分別為反射、繞射以及散射。 多路徑傳遞的電波在振幅與相位方面可能出現(xiàn)變化，導(dǎo)致目的地接收器會(huì)看到受到相長(zhǎng)干擾或相消干擾的訊號(hào)。

　　CSMA-CA頻道接取

　　載波偵測(cè)多路接取與碰撞避免(CSMA/CA)是一種數(shù)據(jù)鏈結(jié)層的通訊協(xié)議，其中網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)會(huì)采用載波偵測(cè)機(jī)制。 節(jié)點(diǎn)只有在偵測(cè)到傳輸頻道閑置時(shí)才會(huì)一次傳送整個(gè)封包數(shù)據(jù)。 無線網(wǎng)絡(luò)中的隱藏節(jié)點(diǎn)并不在其他節(jié)點(diǎn)偵測(cè)范圍內(nèi)。 圖5顯示例子中，遠(yuǎn)在傳輸邊緣處的節(jié)點(diǎn)還能看到基地臺(tái)「Y」，但無法看到另一邊的節(jié)點(diǎn)X或Z。

　　圖5 隱藏節(jié)點(diǎn)X與Z無法直接通訊

　　交握(Handshaking)程序運(yùn)用RTS/CTS建置出虛擬載波感測(cè)機(jī)制，只須發(fā)出短要求訊息即可傳送與清空數(shù)據(jù)，以這種流程來傳遞WLAN數(shù)據(jù)。 802.11主要依賴實(shí)體載波感測(cè)，而IEEE802.15.4則是采用CSMA/CA機(jī)制。 為克服這些隱藏節(jié)點(diǎn)問題，業(yè)界則混用RTS/CTS交握及CSMA/CA。 在情況允許下，提高隱藏節(jié)點(diǎn)傳輸功率可拉長(zhǎng)觀測(cè)的距離。

　　為改善帶寬，各界研發(fā)出各種先進(jìn)調(diào)變機(jī)制來調(diào)制訊號(hào)的相位、振幅、或頻率。 正交相移鍵控(QPSK)這種調(diào)變機(jī)制采用四個(gè)相位，將每個(gè)符元編碼成兩個(gè)位的數(shù)據(jù)。

　　運(yùn)用調(diào)變機(jī)制有效改善帶寬

　　正交調(diào)變采用混合架構(gòu)(圖6)，藉由相位移動(dòng)來減少對(duì)訊號(hào)帶寬的需求。 二元(Binary)數(shù)據(jù)切分成兩個(gè)連續(xù)的位，并以ωc載波、sinωct，以及cosωct三角函式的正交相位進(jìn)行調(diào)變。

　　圖6 偏移QPSK調(diào)變架構(gòu)

　　在2.4GHz ISM頻段上運(yùn)行的IEEE 802.15.4收發(fā)器采用一種QPSK衍生型物理層，名為偏移QPSK、O-QPSK，或交錯(cuò)QPSK。 在位傳輸流中加入一個(gè)單數(shù)據(jù)位(Tbit)偏移時(shí)間常數(shù)，它將數(shù)據(jù)偏移符元周期一半的時(shí)間，藉以避免同時(shí)傳送節(jié)點(diǎn)X與節(jié)點(diǎn)Y的訊號(hào)波形，防止波型重迭而產(chǎn)生干擾。 連續(xù)相位差(Step)永遠(yuǎn)不會(huì)超過正負(fù)90度(圖7)。 O-QPSK其中一個(gè)缺點(diǎn)便是不允許差動(dòng)式編碼，但其的確排除了同調(diào)檢測(cè)(Coherent Detection)方面的難題。

　　圖7 相位轉(zhuǎn)變±90°(左)與I/Q O-QPSK選項(xiàng)(右)

　　IEEE 802.15.4采用的調(diào)變機(jī)制降低了傳送與接收數(shù)據(jù)的符元率。 O-QPSK調(diào)變機(jī)制同時(shí)傳送兩個(gè)編碼位，采用1比4的符元率：比特率。 因此62.5ksymbols/sec的符元率可達(dá)到250kbps的數(shù)據(jù)傳輸率。

　　因應(yīng)網(wǎng)絡(luò)成長(zhǎng) 尋址機(jī)制再擴(kuò)充

　　并不是所有物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)都需要外部IP網(wǎng)址。 在專用通訊方面，傳感器節(jié)點(diǎn)應(yīng)能支持獨(dú)一無二的IP網(wǎng)址。 IPv4支持32位尋址機(jī)制，這種在數(shù)十年前制定的技術(shù)僅能支持43億個(gè)裝置，如今已無法因應(yīng)因特網(wǎng)成長(zhǎng)的需求。 IPv6將尋址機(jī)制提高到128位，而能支持240乘以10的36次方個(gè)全局獨(dú)一網(wǎng)址(GUA)裝置。

　　要從在兩個(gè)不同IPv6網(wǎng)域以及IEEE 802.15.4網(wǎng)絡(luò)對(duì)映數(shù)據(jù)及管理網(wǎng)址，將會(huì)對(duì)設(shè)計(jì)形成嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。 6LoWPAN定義了封裝與表頭壓縮機(jī)制，讓Ipv6封包能透過IEEE 802.15.4網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳送與接收。

　　其中一個(gè)例子便是Thread，這個(gè)技術(shù)文件不公開(Closed-Documentation)但免授權(quán)金的通訊協(xié)議可運(yùn)行于6LoWPAN基礎(chǔ)上，以支持各種自動(dòng)化應(yīng)用。

　　因應(yīng)此一趨勢(shì)，半導(dǎo)體組件商如亞德諾半導(dǎo)體(ADI)，便針對(duì)AduCx系列微控制器，以及Blackfin系列DSP提供支持有線網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的全套無線模擬收發(fā)器。 像是低功耗無線大功率收發(fā)模塊方案--ADRF7242，支持IEEE 802.15.4協(xié)議，提供可自設(shè)的數(shù)據(jù)傳輸率與多種調(diào)變機(jī)制，并采用全球通用的ISM頻段，其傳輸速率從50kbps涵蓋到2000kbps， 并能通過相關(guān)的美規(guī)FCC與歐規(guī)ETSI標(biāo)準(zhǔn)的認(rèn)證。

　　另一款產(chǎn)品ADRF7023則采用全球各地免執(zhí)照ISM頻段，包括433MHz、868MHz，以及915MHz，傳輸速率從1kbps到300kbps。 該公司提供一個(gè)完整的WSN開發(fā)平臺(tái)，讓用戶自行設(shè)計(jì)客制化解決方案。

　　例如RapID Platform平臺(tái)包含一系列模塊與開發(fā)工具包，可以用來嵌入各種工業(yè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。 SmartMesh無線傳感器包含多款芯片及預(yù)先驗(yàn)證的PCB電路板模塊，并且配備有網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)聯(lián)網(wǎng)軟件，讓傳感器能夠在各種嚴(yán)苛的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)環(huán)境中進(jìn)行通訊。