封面故事︱無限煩惱的無線連接

在兩年前小米 Note 發(fā)布會上，雷軍講述了當(dāng)時(shí)小米的理念，要“優(yōu)雅地解決手機(jī)與智能設(shè)備互聯(lián)問題”，他說：“有些智能設(shè)備，我這樣的專家花幾個(gè)小時(shí)都連接不上”，物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備遇到的第一關(guān)居然是如何連上網(wǎng)，雷軍有時(shí)候都要花好幾個(gè)小時(shí)才搞懂連接方法，遑論不懂技術(shù)的普通消費(fèi)者？

如今已經(jīng)過去了兩年，我已經(jīng)不再重點(diǎn)關(guān)注手機(jī)市場，也不知小米是否還在為優(yōu)雅地解決手機(jī)與智能設(shè)備互聯(lián)問題而努力，但隨著藍(lán)牙 5.0 的推出與 NBIoT 標(biāo)準(zhǔn)凍結(jié)，物聯(lián)網(wǎng)無線連接方案之爭愈演愈烈。

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目前面向物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的無線連接技術(shù)多種多樣，在覆蓋范圍、功耗高低、傳輸速率、載波頻段以及布網(wǎng)便捷性等都方面都有差異。雖然不同的標(biāo)準(zhǔn)多是為了滿足市場不同的需求而制定，但標(biāo)準(zhǔn)繁多也是不同行業(yè)之間為了商業(yè)利益相互爭斗互不妥協(xié)的結(jié)果，互不妥協(xié)就造成了互不兼容，越來越多的無線接入方式，帶給用戶的不僅是便利，也有許多麻煩。雷軍兩年前的言論是從終端產(chǎn)品用戶角度出發(fā)看無線連接，在我與多位電子行業(yè)的工程師交流過程中也了解到，紛繁復(fù)雜的無線連接也是普通工程師的噩夢，尤其是多無線連接設(shè)備，硬件工程師要考慮不同制式之間的干擾，軟件工程師要考慮不同模式如何共存，這些都增加了開發(fā)難度。

本期封面故事既不討論各種無線接入標(biāo)準(zhǔn)的優(yōu)劣，也不預(yù)測哪種接入設(shè)備出貨量更多，而是請廠商站在開發(fā)者與用戶的角度來考慮問題：如何簡化終端產(chǎn)品無線連接的開發(fā)難度，怎樣增強(qiáng)無線連接的可靠性與實(shí)時(shí)性，以及無線連接的安全應(yīng)如何保證。

此次專題共邀請了八家國內(nèi)外無線連接領(lǐng)域知名的半導(dǎo)體公司，但兩家國內(nèi)廠商先后以不同原因退出，一家日本廠商與一家歐洲廠商事先聲明不參加本次專訪，美國高通公司在截止日之前沒有給出任何回復(fù)。所以最終只有三家廠商參與本次專題，但我并不遺憾，我從來都認(rèn)為，廠商不參加我的專題采訪，不是我的損失，參加的廠商少反而是一件好事。

用戶抱怨最多的無線連接問題是什么？
賽普拉斯（Cypress）亞太區(qū)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用總監(jiān)楊學(xué)賢認(rèn)為，芯片廠商一般面對的是商業(yè)客戶，與終端消費(fèi)者擔(dān)心無線技術(shù)復(fù)雜不同，一些商業(yè)客戶認(rèn)為無線設(shè)計(jì)很簡單，非常容易搞定，這就把麻煩扔給了終端產(chǎn)品用戶。

他舉了一個(gè)例子：有一個(gè)客戶計(jì)劃采用無線方式傳輸音視頻，根據(jù)其應(yīng)用場景和同時(shí)接入用戶數(shù)量，賽普拉斯推薦該客戶采用支持 802.11ac 規(guī)格的無線傳輸系統(tǒng)，但客戶認(rèn)為并不需要 802.11ac，該系統(tǒng)采用 802.11n 技術(shù)就可以實(shí)現(xiàn)。但實(shí)際產(chǎn)品出來后，由于傳輸帶寬不夠，在應(yīng)用中就會偶爾出現(xiàn)視頻流中斷或者聲音卡頓的現(xiàn)象，客戶的用戶在使用時(shí)體驗(yàn)很差。

凌力爾特（Linear Technology）Dust Networks 產(chǎn)品部產(chǎn)品市場經(jīng)理 Ross Yu 則從工業(yè)應(yīng)用角度來談了這個(gè)問題，他表示，工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)無線連接系統(tǒng)的應(yīng)用環(huán)境通常比消費(fèi)類更嚴(yán)苛，而用戶期望的無故障服役時(shí)間更長。在市場調(diào)研機(jī)構(gòu) ON World 對全球工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network，簡稱 WSN）用戶進(jìn)行的調(diào)查問卷顯示，WSN 的可靠性與安全性是用戶最關(guān)注的問題。

Ross Yu 強(qiáng)調(diào)，工業(yè)無線通信中偶爾的丟包可以接受，但決不允許出現(xiàn)較長時(shí)間的通信中斷。假如數(shù)據(jù)出錯(cuò)率為 1%，那么相當(dāng)于每年有 3.65 天的計(jì)劃外停機(jī)，這對工業(yè)用戶來說是難以容忍的。以他的經(jīng)驗(yàn)來看，半天的通信中斷足以激怒客戶，假如一年內(nèi)出現(xiàn)兩次半天通信中斷，即便派人去維修好了，也有極大的可能會丟掉這個(gè)用戶。

感臻科技副總裁曹躍瀧表示，其客戶在無線應(yīng)用方面最多的抱怨是 Zigbee 網(wǎng)絡(luò)不容易安裝，配置起來很麻煩；相對而言，Wi-Fi 設(shè)備部署簡單，但也容易受干擾，連接的終端設(shè)備多了經(jīng)常掉線。

對于改善方向，楊學(xué)賢認(rèn)為，經(jīng)驗(yàn)豐富的客戶會認(rèn)識到無線設(shè)計(jì)的風(fēng)險(xiǎn)，虛心聽取芯片廠商的設(shè)計(jì)建議，這樣開發(fā)出來的產(chǎn)品用戶體驗(yàn)就會更好?！拔覀兒粲鯊S家，從最終用戶的角度考慮，在產(chǎn)品無線連接方面多花些功夫，最終用戶體驗(yàn)好了，產(chǎn)品才好賣。”

Marvell 高級產(chǎn)品營銷經(jīng)理 Jawad Haider 也表示，優(yōu)秀的技術(shù)文檔、完整的工具鏈以及實(shí)時(shí)的技術(shù)支持是幫助客戶工程師解決無線應(yīng)用開發(fā)難的關(guān)鍵。

可靠性與實(shí)時(shí)性
由于不存在物理連接，所以無線連接的可靠性天然不如有線連接，但工業(yè)控制與汽車等應(yīng)用對于可靠性與實(shí)時(shí)性又有極高的要求，那么無線技術(shù)是怎么來保證連接可靠性與實(shí)時(shí)性呢？

Ross Yu 指出，要實(shí)現(xiàn)工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)近零維護(hù)地常年運(yùn)行，必須在網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)加入多種除障機(jī)制，給整個(gè)系統(tǒng)留出足夠的冗余資源，以保證在故障出現(xiàn)時(shí)能夠快速啟用備用通道，從而在不丟數(shù)據(jù)的情況下恢復(fù)正常通信。對于無線傳感網(wǎng)絡(luò)（WSN），Ross Yu 給出了兩種基本的實(shí)現(xiàn)冗余設(shè)計(jì)的方法。

首先是空間冗余。一個(gè)無線節(jié)點(diǎn)周圍，至少有另兩個(gè)節(jié)點(diǎn)可以與之通信，路由策略須能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)可轉(zhuǎn)發(fā)至其中任一節(jié)點(diǎn)，并最終將數(shù)據(jù)發(fā)送至目的節(jié)點(diǎn)。相比點(diǎn)對點(diǎn)通信，這種根據(jù)冗余通信節(jié)點(diǎn)策略而構(gòu)建的無線網(wǎng)絡(luò)，在首選路徑出問題時(shí)，會自動(dòng)跳轉(zhuǎn)到備選路徑，因此通信可靠性大幅提高。

其次是頻道（或信道）冗余。信道跳頻（channel hopping）的概念就是在載波頻段同時(shí)存在多個(gè)信道，一對節(jié)點(diǎn)每次通信時(shí)都可隨時(shí)切換信道。工業(yè)應(yīng)用電磁環(huán)境復(fù)雜多變，某個(gè)指定信道偶爾被阻塞或中斷的情況很常見，信道冗余有效降低了由于射頻干擾而出現(xiàn)通信中斷的幾率。

Jawad Haider 則表示，應(yīng)用多用戶多入多出技術(shù)（Multi Users Multi Inputs and Multi Outputs，簡稱 MU-MIMO）有助于改善企業(yè)與家庭網(wǎng)絡(luò)因接入點(diǎn)增多而導(dǎo)致的連接不可靠。目前 Marvell 正在開發(fā)支持新無線網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn) 802.11ax 的芯片，該芯片采用 OFDMA 技術(shù)，在無線性能上有很大的提升。802.11p 已經(jīng)對車載通信環(huán)境進(jìn)行了優(yōu)化，充分考慮了車載環(huán)境下的通信可靠性，目前 Marvell 最新的 28 納米 802.11ac 芯片已經(jīng)支持 802.11p 標(biāo)準(zhǔn)。

賽普拉斯在工業(yè)與汽車應(yīng)用方面的無線方案也很多。楊學(xué)賢表示，賽普拉斯的無線連接芯片通過軟硬件整合，以適應(yīng)復(fù)雜的應(yīng)用場景，在汽車與工業(yè)控制領(lǐng)域已經(jīng)獲得了很多客戶的認(rèn)可。

工業(yè)無線網(wǎng)絡(luò)對實(shí)時(shí)性的要求主要體現(xiàn)在兩點(diǎn)：第一，數(shù)據(jù)包吞吐量要持續(xù)穩(wěn)定；第二，數(shù)據(jù)包傳送時(shí)間要可控（即傳輸延遲在一定數(shù)值內(nèi)，例如汽車無線接入延時(shí)通常要求為 1mS）。 Ross Yu 告訴與非網(wǎng)記者，數(shù)據(jù)包沖突是造成網(wǎng)絡(luò)擁堵與數(shù)據(jù)包傳輸延遲的主要原因之一，SmartMesh 無線網(wǎng)絡(luò)具備在網(wǎng)數(shù)據(jù)包零沖突（zero in-network collisions）特性， 因而保證了無線連接的實(shí)時(shí)性。

“在優(yōu)化和提高無線連接實(shí)時(shí)性方面，Marvell 做了很多工作，特別是音頻傳輸這種對實(shí)時(shí)性要求高的應(yīng)用，”Jawad Haider 也強(qiáng)調(diào)，在無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)性方面，Marvell 實(shí)力不俗，“利用 802.11mc 中的精確時(shí)間測量（Fine Time Measurement，簡稱 FTM）技術(shù)，我們還用軟件實(shí)現(xiàn)了智能家庭應(yīng)用中不同無線連接輸出的同步。”

安全性與私密性
“早期 Wi-Fi 采用 WEP（Wired Equivalent Privacy，等效有限加密）加密，容易被破解，后來技術(shù)上升級到 WPA（Wi-Fi Protected Access，無線保護(hù)接入）、WPA2，WPA2 實(shí)現(xiàn)了 802.11i 的強(qiáng)制性要求，采用公認(rèn)徹底安全的 CCMP 訊息認(rèn)證碼（Counter Cipher Mode with Block Chaining Message Authentication Code Protocol，計(jì)數(shù)器模式密碼塊鏈消息完整碼協(xié)議，簡稱 CCMP），RC4（Rivest Cipher 4，Rivesr Cipher 第四代算法）加密算法也被 AES（Advanced Encryption Standard，高級加密標(biāo)準(zhǔn)）所取代，Wi-Fi 技術(shù)的安全性已經(jīng)非常高” 楊學(xué)賢表示，無線網(wǎng)絡(luò)安全問題不僅困擾客戶，也影響著物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)的發(fā)展。

“現(xiàn)在藍(lán)牙 4.0 應(yīng)用還比較普遍，但是藍(lán)牙 4.0 沒有安全措施，漏洞很大?！彼J(rèn)為，在健康監(jiān)測與收費(fèi)付款等應(yīng)用上采用藍(lán)牙 4.0 將會存在很高的風(fēng)險(xiǎn)，“藍(lán)牙 4.2 標(biāo)準(zhǔn)加強(qiáng)了隱私保護(hù)和安全連接，采用可解析隨機(jī)地址，防止對設(shè)備進(jìn)行跟蹤，對使用者的隱私進(jìn)行保護(hù)。藍(lán)牙 4.2 及以后的標(biāo)準(zhǔn)采用 ECHD（Elliptical Curve Hellman-Diffie）算法生成密鑰，密鑰不通過無線交換，第三方設(shè)備無法截獲加密密鑰，藍(lán)牙 4.1 或更老版本就沒有這樣安全功能?！?/p>

技術(shù)手段雖然重要，但楊學(xué)賢建議提升用戶的安全意識也很重要?！坝械膹S家忽視安全隱患，仍然采用藍(lán)牙 4.0 技術(shù)生產(chǎn)新產(chǎn)品；有些用戶從不改變產(chǎn)品出廠的默認(rèn)設(shè)置，密碼幾乎是公開的。只有廠家和用戶真正重視起安全來，技術(shù)手段才能發(fā)揮作用?！?/p>

Jawad Haider 也持類似觀點(diǎn)，他認(rèn)為隨著無線技術(shù)越來越深入人們的日常生活，越來越多的標(biāo)準(zhǔn)和非標(biāo)準(zhǔn)安全技術(shù)被引入無線網(wǎng)絡(luò)連接，以保護(hù)用戶的隱私和安全?！八{(lán)牙 4.2 新增的‘低功耗（LE）隱私與安全’特性就是一例?！?/p>

“凌力爾特認(rèn)為，所有的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信據(jù)須提供安全防護(hù)功能，安全是工業(yè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)關(guān)鍵指標(biāo)，”Ross Yu 從對安全屬性要求更高的工業(yè)應(yīng)用來解釋，他表示判斷一個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）是否安全主要從如下三點(diǎn)入手：

• 機(jī)密性：除了被發(fā)送方指定的接收者之外，其他任何人都不能讀取無線網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)
• 一致性：確保接收到的任何信息都是發(fā)送方所要傳送的原始信息，信息內(nèi)容未經(jīng)任何添加、刪減或修改。
• 授權(quán)有效性：確保接收到的任何信息，源自該信息所標(biāo)識的發(fā)送方。如果授權(quán)機(jī)制中還包含時(shí)間參數(shù)，那么該機(jī)制還可以保證信息不被錄制和重播。

要實(shí)現(xiàn)上述要求，在 WSN 網(wǎng)絡(luò)中必須引入許多重要的安全技術(shù)，包括更牢固的秘鑰管理策略與更強(qiáng)的加密方法（例如 AES128)，用于阻止中繼攻擊的加密級（cryptographic-quality）隨機(jī)數(shù)生成器，每條信息內(nèi)建的信息完整性（Message Integrity Checks，簡稱 MIC）檢查，以及用于設(shè)置設(shè)備訪問權(quán)限的訪問控制列表（Access Control Lists， 簡稱 ACL）。

Ross Yu 也指出，安全是一個(gè)全網(wǎng)概念，由于并非所有無線傳感網(wǎng)絡(luò)都有足夠的安全措施，所以開發(fā)人員必須注意“把一個(gè)安全的 WSN 接到一個(gè)不安全的網(wǎng)關(guān)上，安全漏洞就開始出現(xiàn)，所以在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，必須考慮端到端的通信安全?！?/p>

復(fù)合芯片還是標(biāo)準(zhǔn)融合？
手機(jī)是目前最常見的多無線制式連接設(shè)備，除了工業(yè)專用無線連接（例如 Zigbee、Lora 等），一部智能手機(jī)至少要支持包括 4G（后向兼容 3G、2G）、Wi-Fi、藍(lán)牙、GPS 等無線技術(shù)，不同的無線接入方法在給用戶帶來便利的同時(shí)，也提升了手機(jī)的成本與射頻設(shè)計(jì)的復(fù)雜度。

由于對成本要求較高，物聯(lián)網(wǎng)芯片的無線連接以單一接入方式為主，但也有一些公司已經(jīng)提供了復(fù)合接入芯片。例如 Wi-Fi 加藍(lán)牙或者藍(lán)牙加 Zigbee 的方案。

賽普拉斯的楊學(xué)賢就看好這種復(fù)合接入芯片的市場，“Wi-Fi 藍(lán)牙 Combo（復(fù)合）芯片將是發(fā)展最快的無線復(fù)合接入方式。Wi-Fi 藍(lán)牙各有優(yōu)點(diǎn)，Wi-Fi 便于保持網(wǎng)絡(luò)暢通，提供寬帶鏈路，藍(lán)牙測功耗低，易于鏈接。Combo 芯片把它們的優(yōu)勢結(jié)合起來，在多種物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備中已經(jīng)被廣泛應(yīng)用?！?/p>

Marvell 的 Jawad Haider 的觀點(diǎn)與楊學(xué)賢類似，但凌力爾特的 Ross Yu 則另有看法，他認(rèn)為在工業(yè)應(yīng)用中，最重要的是將傳感器的數(shù)據(jù)從部署地安全可靠地傳送到目的地，“與單芯片通信方式是否豐富相比，工業(yè)用戶更看重?zé)o線通信服務(wù)質(zhì)量?！?/p>

另外一方面，不同技術(shù)之間相互融合也在發(fā)生。很多公司已經(jīng)在開展 4G 與 Wi-Fi 融合技術(shù)的研究，4G 與局域網(wǎng)聚合技術(shù)（LTE WLAN Aggregation，簡稱 LWA）是 IP 層和協(xié)議層的數(shù)據(jù)融合，對當(dāng)前 LTE 與 Wi-Fi 規(guī)范影響都不大，但授權(quán)波段輔助接入（License Assisted Access ，簡稱 LAA)技術(shù)是在物理層進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，對兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的后續(xù)發(fā)展影響較大。

某行業(yè)資深專家表示，不同無線標(biāo)準(zhǔn)的相互融合，主要的障礙并不在技術(shù)上，以 4G 和 Wi-Fi 為例，兩者基礎(chǔ)技術(shù)類似，目前融合是兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)組織競合的表現(xiàn)，在鞏固自己現(xiàn)有市場的同時(shí)，把觸角延伸到對方領(lǐng)域去搶市場。

無論是兩種制式集成在一顆芯片上，還是不同無線標(biāo)準(zhǔn)的相互融合，可以看到市場是有實(shí)際需求的，但究竟是無線標(biāo)準(zhǔn)逐漸趨于統(tǒng)一，還是單顆物聯(lián)網(wǎng)芯片接入方式越來越多，接下來只能等市場選擇與不同標(biāo)準(zhǔn)組織之間角力的結(jié)果了。