來源 Qorvo半導體
在本章中，我們將深入了解物聯網 (IoT) 如何為智能家居提供動力，以及網狀網絡/每間房一個 pod 通信如何實現物聯網連接。我們還將了解一些物聯網挑戰(zhàn)，以及新的技術進步如何幫助應對這些挑戰(zhàn)。
當今智能家居調查
過去幾年，隨著制造商開發(fā)出越來越多可連接至家庭網絡的設備，智能家居概念隨之興起。智能家居網絡使房主能夠有效地利用資源，使用語音命令控制設備和家用電器，并根據設備提供的數據做出決策。智能家居的潛力巨大：它可用于提高能效、舒適度、安全性、娛樂性和便利性。
當今大多數智能家居都配備了各種物聯網設備、集線器和傳感器，它們可通過家庭網絡/網關進行通信，并最終與云端通信。房主可在家里的任意位置進行控制，甚至可以通過互聯網進行遠程控制。
智能家居系統(tǒng)可能包括多個與家居應用相關的無線連接標準。表 3-1 顯示了其中一些標準的特性及相互之間的區(qū)別。此外，這些家庭網絡可能由幾個在主網關下運行的互連網絡組成。
當今的許多智能家居都是由一些特殊節(jié)點組成。節(jié)點是一種在網絡上擁有自己唯一地址的硬件；節(jié)點可以是設備，也可以是集線器：
設備：設備（例如：恒溫器或燈泡）通常只有一個網絡連接點。設備可能需要也可能不需要保持實時跟蹤，具體取決于其功能。
集線器：集線器是一個管理網絡流量的盒子；它可能有許多連接點，因為可以連接至多個設備。集線器必須保持實時跟蹤，以便高效和有效地分派事件。
單集線器網絡由一個集線器節(jié)點和一個或多個設備節(jié)點組成。集線器管理網絡中設備之間的事件和信息交換。多集線器網絡包含多種集線器，如圖 3-1 中所示。圖 3-1 中的網絡布局包含兩個集線器，每個集線器使用不同的網絡協(xié)議（藍牙和 ZigBee）。各個設備連接至其中一個集線器。然后，集線器連接至網關，網關可與兩個集線器通信。
網狀網絡/每間房一個 Pod
為了打造一個連接更緊密、通信更可靠的智能家居，消費類產品開始采用新型拓撲結構，名為網狀網絡，有時候也稱為“每間房一個 Pod”。網狀網絡可以輕松地擴大無線設備的范圍，并在辦公室、住宅甚至戶外等區(qū)域提供一致的高數據速率。此外，使用“每間房一個 Pod”的網狀網絡支持多種協(xié)議，可減少家庭中使用多個網格系統(tǒng)的開銷。
網狀網絡是 Wi-Fi 演變過程中的一次重要發(fā)展，尤其是在智能家居領域。Wi-Fi 網格系統(tǒng)包括連接至主要互聯網連接的路由器，以及放置在住宅周圍的多個類似衛(wèi)星路由器的設備（或節(jié)點），以提供全面的 Wi-Fi 家居物聯網覆蓋（參見圖 3-2）。這種先進的網狀網絡可提供完全冗余，并充分提高網絡性能。
節(jié)點越多，連接點傳播的距離就越遠，如圖 3-3 中所示。網狀網絡可以有效地將信號范圍擴展到整個住宅，從而提高了可靠性，可實現與所有設備的實時通信。Wi-Fi 部署技術的進步支持頻譜分離，并可確保信息通過專用回傳數據路徑往返于云端。它們還可為設備提供專用數據流。此外，一些設備可以存儲數據。這些存儲的數據可以節(jié)省用戶成本，進一步提高網絡可靠性，并且支持更智能的數據驅動應用。
網狀網絡還可自行配置。因此，它可以自動將新節(jié)點整合到現有網絡中，無需網絡管理員進行調整。這使得網絡更具適應性和可擴展性。網狀網絡還可以通過自動尋找最快速且最可靠的信號來傳輸數據，實現自我修復，即使在節(jié)點阻塞或信號丟失的情況下亦是如此。
當今許多網狀網絡使用所謂的三頻段 Wi-Fi 網關和終端節(jié)點。三頻段 Wi-Fi 可通過在網關和終端節(jié)點中使用 2.4 GHz、5.2 GHz 和 5.6 GHz 頻段來提高數據容量和覆蓋范圍。在三頻段系統(tǒng)中，第二個 5.6 GHz 頻段充當網絡上兩臺路由器之間的專用通信線路，從而使整個系統(tǒng)的速度比舊的雙頻段配置系統(tǒng)快 180%。
因此，Wi-Fi 三頻段的優(yōu)勢顯而易見。首先，它可以通過使用更快的 5 GHz 頻帶以及 Wi-Fi 6E（5 GHz 和 6 GHz 頻段），將更多的無線設備連接至互聯網。如果您的網絡是一個網格系統(tǒng)，配備多個分散在整個空間內的路由器，那么更高頻段可充當兩個路由器之間的專用通信線路，以提高整個系統(tǒng)的速度。
三頻段系統(tǒng)的第三個無線電還可用于網格路由器之間的回傳通信。這樣一來，它就創(chuàng)建了一條專用線路，僅供路由器之間的數據流使用。盡管雙頻段系統(tǒng)使用相同的 Wi-Fi 帶寬來連接至其他路由器和接入點，但在三頻段系統(tǒng)中，終端設備可立即用于設備連接。這可將效率提高 50%，特別是添加了更多網絡設備的情況下。
此外，由于該無線電傳播速度更快，因此DSL/電纜調制解調器的連接速度將遠不止于此。相反，它們可以傳送至整個網絡。這對于當今和未來智能家居中的智能電視和攝像頭的 Wi-Fi 視頻流非常有益。
為了確保您現有家居網絡系統(tǒng)能夠適應未來發(fā)展需求，您需要使用三頻段系統(tǒng)。千兆服務將很快呈現在世人面前，而且實施三頻段系統(tǒng)是確保未來容量和速度的最佳解決方案。
網狀網絡系統(tǒng)的另一個重要發(fā)展就是采用濾波器技術，以進一步提高容量和擴大每間房一個 Pod 拓撲的范圍。使用 bandBoost 濾波器可通過增強三頻段網格系統(tǒng)中的頻段隔離，最大限度地提高網絡容量和覆蓋范圍。使用 edgeBoost 濾波器可通過最大限度地提高靠近頻帶邊緣的 Wi-Fi 通道的輸出功率來提高容量和擴大范圍。在下一節(jié)中，我們將詳細闡述這些主題及其如何解決網狀網絡中的共存挑戰(zhàn)。
正如第 1 章所述，領先制造商正在開發(fā)一種名為 Matter 的新標準，以提高設備的互操作性，降低網狀網絡的復雜性。在過渡至 Matter 期間，將需要多標準無線電。這些無線電將使網絡能夠滿足未來向 Matter 遷移的需求，并可提供向后兼容性，以連接使用傳統(tǒng)標準的節(jié)點。雖然 Matter 仍在最后敲定中，預計將于 2021 年的某個時候推出，但標準機構和領先制造商之間的合作已開始推動其在行業(yè)中的普及。
應對挑戰(zhàn)
接下來，我們來討論一下物聯網智能家居網絡和設備制造商面臨的一些挑戰(zhàn)。
互操作性
互操作性就是系統(tǒng)、應用和服務以可預測的方式可靠協(xié)同工作的能力。這有助于確保技術的易用性，進而快速推廣普及。每個用戶都希望其電子無線和有線設備能夠輕松連接和協(xié)作，也就是即插即用。智能家居網絡也沒有什么不同，它將由許多不同制造商開發(fā)的各種設備組成。
互操作性和認證計劃有助于確保使用多個關鍵物聯網標準的設備之間的互操作性。Wi-Fi 之所以如此成功，是因為 Wi-Fi 聯盟實施的 Wi-Fi 互操作性計劃，該聯盟擁有世界上最值得信賴的認證制度之一。目前已有成千上萬個經過認證的 Wi-Fi 設備可以實現無縫連接。
如今，Zigbee 3.0 也可提供同樣級別的互操作性，而這也得益于合作伙伴關系和認證計劃。由于兩者之間的合作關系，使用 ZigBee 和 Thread 的產品間通信也經過了認證。藍牙也具有涵蓋整個協(xié)議堆棧和應用配置文件的認證計劃，從而有助于藍牙和低功耗藍牙 (BLE) 實現出色的通信體驗。
這些聯盟和認證對于在具有各種標準的分散型智能家居物聯網設備環(huán)境中實現整合至關重要。使用這些協(xié)議的設備制造商必須遵守這些認證和聯盟標準，使其產品在進入市場之前獲得批準。這樣方可確保用戶體驗到期望的即插即用互操作性。
射頻干擾
由于無線技術的更新換代，智能家居網絡的射頻 (RF) 復雜性也不斷提高。許多家用射頻通信設備采用頻段重疊或密切相關的標準。有時候，由于兩個頻段之間的距離太近，導致一個通信頻段會干擾另一個通信頻段發(fā)送和接收的信號。
物聯網和 5G 技術進一步增加了復雜性，從而加劇了智能家居設備設計工程師面臨的挑戰(zhàn)。如今，智能家居物聯網設備必須支持許多射頻路徑，有時需要更大的帶寬，并保持低功耗，同時所有標準及其所發(fā)送或接收的數據之間都不存在干擾。由于網絡上運行的標準越來越多，所以減少干擾勢在必行。
利用 RF 濾波器減少干擾
幸運的是，射頻濾波器技術的進步大大降低了不同協(xié)議標準之間相互干擾的可能性。射頻濾波器不斷演變，以支持物聯網、5G 和工業(yè) 4.0 的擴展需求。體聲波 (BAW) 等復雜的多濾波器模塊開始越來越多地用于解決射頻系統(tǒng)中的共存、容量和范圍問題。
此外，通過促進集成模塊的開發(fā)，外形更加小巧的濾波器有助于物聯網產品制造商將日益復雜的 RF 前端 (RFFE) 架構整合到微型設備中。與此同時，當今的濾波器技術有助于緩解與更高頻率和更小外形尺寸相關的散熱問題。
不同濾波器滿足不同需求
為滿足不同的濾波需求，需要使用不同的濾波器。一些濾波器可優(yōu)化與其他設備的共存特性；其他一些則有助于改進系統(tǒng)、容量、范圍和性能。
例如：共存濾波器（如 Qorvo coexBoost 濾波器）可用于射頻路徑，針對需要同時操作信號的應用。這些共存濾波器都具有陡峭的帶緣裙邊(bandedge skirt)。它們對于保持信號質量和確保信號能夠與使用相鄰頻率的其他信號共存至關重要。射頻發(fā)射器和接收器路徑必須保持這種共存性。例如，需要在頻段 40 蜂窩信號和 2.4 GHz Wi-Fi 頻段之間保持共存性。頻段 40 的工作頻率范圍為 2,300 至 2,400 MHz，而 2.4 GHz Wi-Fi 頻段的工作頻率范圍為 2,412 至 2,484 MHz。這意味著，從 2.4 GHz Wi-Fi 頻段來看，頻段 40 的高端僅為 12 MHz。所以，頻段 40 和 Wi-Fi 頻段都需要陡峭的濾波器裙邊。這些共存濾波器可通過拒絕相鄰頻帶的信號來保護每個頻帶不受干擾。
其他濾波器旨在幫助實現最大容量和范圍性能。例如 Qorvo edgeBoost 和 bandBoost 濾波器。這些濾波器允許設計師提高每個信道頻段邊緣的 RFFE 輸出功率，同時滿足聯邦通信委員會 (FCC) 的功率譜密度要求。它們還有助于降低頻譜密度，以幫助提高輸出功率性能，如圖 3-4 所示。通過使用可能無法使用的頻譜，這些濾波器使得運營商和制造商能夠提供高速數據和更大帶寬。如圖 3-4 中所示，使用頻帶邊緣濾波器可將功率密度提高幾個 dB。
舉個真實的示例，假設您所在的房間內有多人使用 Wi-Fi 和手機，如圖 3-5 所示。2.4 GHz Wi-Fi 頻譜被分為 11 個信道，從低頻段的信道 1 到高頻段的信道 11。例如，假設您正在使用信道 5 的 Wi-Fi 觀看足球比賽直播，沒有緩沖也沒有中斷。可這時，來了一個新的手機用戶，開始占用您信道 5 的 Wi-Fi 容量。網關設備經過調整之后，將您轉移至信道 1，以便釋放信道 5 的容量。
如果 Wi-Fi 單元未配備帶緣濾波器，那么其強度和流傳輸速度就會降低，從而發(fā)生緩沖，中斷您觀看的視頻，并導致您錯過比賽的關鍵時刻。這是因為網關設備為了遵守 FCC 的規(guī)定，必須降低信道 1 的功率，以免干擾相鄰的蜂窩頻段。然而，如果網關單元配備了帶緣濾波器，就不需要降低信道 1 和 11 的功率，這樣您就可以在信道 1 上繼續(xù)觀看比賽，且不會出現緩沖和相關中斷。
保持無縫、節(jié)能、可靠的連接
一些制造商生產的產品使用多種標準。這些產品可以與更多的其他設備通信，從而進一步增強了產品在物聯網網絡中的互操作性。通過動態(tài)多協(xié)議支持，一個節(jié)點可以與使用不同標準的多個設備通信。
例如：智能家居網絡可能包括 ZigBee 設備和 BLE 設備。在同時支持 Zigbee/Matter 和 BLE 設備的動態(tài)多協(xié)議網狀節(jié)點中，設備的通信部分可自動在這些標準之間來回切換，每次支持以一個標準通信。
用于智能家居設備的 Qorvo 物聯網通信產品通過支持 ConcurrentConnect 技術增加了另一項功能，即可以持續(xù)接收和轉換通信，如圖 3-6 所示。該創(chuàng)新以一種更快速、更可靠的方式實現協(xié)議切換，以減少數據包丟失，同時仍保持動態(tài)多協(xié)議支持。
如圖 3-6 所示，左側顯示物聯網通信產品整合了動態(tài)多協(xié)議支持。這種多協(xié)議支持允許使用不同標準的多個物聯網設備之間進行通信。這樣就可以在需要時，從一個協(xié)議切換到另一個協(xié)議。但 Qorvo 在其物聯網射頻設備中采用 ConcurrentConnect 技術，進一步增加了復雜性。ConcurrentConnect 技術使物聯網設備具有同時從所有網絡設備連續(xù)接收和發(fā)送設備通信的能力，從而實現更可靠、更無縫的通信。這樣，協(xié)議之間的通信可實現無縫切換，從而減少了重復進行 ping 操作的需求以及通信掉線的可能性。
請試想一下實際的網絡情況。如果未采用 ConcurrentConnect 技術，Zigbee/Matter 和藍牙低功耗 (BLE) 設備就需要在標準之間來回切換，每次支持以一個標準通信。但協(xié)議之間的切換會造成延遲，從而導致通信掉線。而采用 ConcurrentConnect 技術的設備則允許從 BLE 到 Zigbee/Matter 的瞬時切換，幾乎不會出現通信掉線的情況。這是因為 ConcurrentConnect 技術可消除協(xié)議切換的延遲。因此，通信將更快速、更有效、更具可擴展性，并且能夠在更短的時間內接收更多數據包。
創(chuàng)建簡單易用的自主管理物聯網網絡
大多數物聯網網絡用戶都希望實現即插即用，只需很少或最少的設置或交互。我們都希望該網絡在通電后工作。這樣產品制造商就需要解決產品的簡單易用性問題。解決這項挑戰(zhàn)并不是件易事，因為每個用戶的網絡都是不同的。為幫助實現這一目標，家庭的網狀物聯網網絡應具有自我管理和自我修復功能，這樣就可以確保消費類產品持續(xù)運行，而無需參與網絡管理的技術細節(jié)。物聯網網絡應該能夠進行操作和監(jiān)控，并在網絡完全關閉之前通知用戶可能出現的問題。在適應網絡故障和環(huán)境變化的同時，各個節(jié)點和網關還必須具有互操作性和協(xié)同性。智能家居網絡中的子系統(tǒng)可監(jiān)控信號強度、電池使用壽命等，始終適應并通知用戶，從而實現性能優(yōu)化。
網狀網絡可為物聯網應用提供切實優(yōu)勢，因為它始終可用且可訪問。網狀網絡采用一種自修復算法，即使某些節(jié)點意外失去連接，該算法也能自動選擇最佳路徑來發(fā)送數據。這種算法可確保流量只能通過功能正常的可用連接進行路由。這樣，即使某些節(jié)點不工作，網狀網絡也能繼續(xù)運行。網狀網絡還允許設備彼此直接通信，無需通過網關路由所有通信。
網絡安全和隱私
在物聯網部署中，實施足夠的安全和隱私措施是一項巨大挑戰(zhàn)。當今物聯網網絡通常是分散的，且使用各種協(xié)議和技術，這樣就難以控制網絡安全和隱私。
這也強有力地證明必須實現標準化，以幫助提高安全和隱私。它還可以提高易用性和可擴展性，使用戶能夠輕松地將設備添加至網絡。標準化可幫助用戶以安全的方式進行自己的優(yōu)化物聯網網絡設計。
如前所述，使用網狀網絡可以將控制權和安全保障掌控在所有者手中。通常，這些網格系統(tǒng)使用應用進行設置、控制和監(jiān)控。應用有助于網絡設置，并可確保設置密碼的安全性。此外，應用還有助于管理網絡問題、檢查數據速率、設置家長控制功能等。一些系統(tǒng)可幫助所有者隨時查看連接到系統(tǒng)網絡的對象。
為確保這些設備的安全，必須持續(xù)更新您的電腦和智能手機。網狀網絡亦不例外。然而，網狀網絡通常都是自行更新，這樣所有者就無需擔心執(zhí)行令人煩心的可操作更新。
一些網狀網絡還需要支付訂閱費來獲得增強的安全功能，比如防范黑客攻擊、網站威脅和安全掃描。這些訂閱還包括防范惡意軟件、病毒、黑客甚至網絡罪犯攻擊的安全功能。
如果您的智能家居帶有聯網的安保攝像頭、恒溫器以及其他物聯網智能設備，那么網格系統(tǒng)將會大有幫助。網格系統(tǒng)功能可幫助您保護整個網絡（包括這些設備）免受網絡攻擊。
功耗
全球的化石燃料正在加速消耗。降低功耗和提供更環(huán)保產品的壓力越來越大。如今，物聯網設備的制造商和供應商也感受到了同樣的壓力。隨著世界各國領導人推進越來越多的綠色倡議，這一趨勢只會加劇。其中一些物聯網產品只使用紐扣電池（一些可持續(xù)使用長達 10 年），但生產這些電池要消耗化石燃料。此外，許多物聯網設備并不使用紐扣電池；相反，它們使用電網電力。因此，為了控制功耗需求，某些物聯網設備有時會添加軟件和硬件，以確保在不通信時處于睡眠模式。
在制造環(huán)境中，物聯網技術設備不僅能進一步提高效率和自動化程度，還必須采用低功耗設計。物聯網設備制造商已經著手生產低功耗產品。同時還開始生產更高效、更小巧、更纖薄的產品。通過嘗試生產運行時能耗更低的裝置，消費者、企業(yè)和制造商可以實現共贏。確保物聯網在可再生能源領域的前沿地位，可使許多公司獲益。在發(fā)電、傳輸和配電設備上使用物聯網傳感器可實現遠程資產監(jiān)控和管理。此外，在整個制造環(huán)境中安裝物聯網有助于降低照明、供暖、冷卻和安全相關成本。
智能家居網絡可能包括許多 7x24 小時全天候運行的通信設備。這些設備即使在不主動通信的情況下也會消耗能源，所以效率和功耗一直都是設計考慮因素。無論使用何種協(xié)議，都必須優(yōu)化物聯網設備，以實現節(jié)能運行。
下面簡要概述了不同標準的功耗：
Wi-Fi 和 Matter（ZigBee、Thread）的信號范圍類似，但因為 Wi-Fi 支持更高的數據傳輸速率，所以功耗更高。
Matter（ZigBee、Thread）和 BLE 的功耗相當，都是為了節(jié)省電池電量而開發(fā)。
Matter（ZigBee、Thread）的功耗差不多是 Wi-Fi 的 1-3%，具體取決于應用。
隨著環(huán)保倡議在全球范圍內實施，降低物聯網網絡的功耗勢在必行。用戶和制造商的目標是在不降低性能和整體物聯網連接的情況下降低功耗。當需要更換電池時，設備會自動通知用戶，以確保持續(xù)運行。
始終在線連接的重要性
過去幾年，家庭和工作場所的物聯網網絡得到了顯著發(fā)展。與此同時，我們對這些網絡的依賴也在增加。越來越多的人居家辦公。家庭使用家庭網絡進行視頻聊天、玩游戲、看電視、監(jiān)測健康情況以及確保住宅安全。為確保對這些用例提供 7x24 小時全天候支持，我們確實需要低延遲、始終在線的可靠連接。
幸運的是，所有領域的無線產品提供商都在推出新產品，包括向 5G 網絡的過渡。我們將不必擔心是否會有連接或快速的數據連接。相反，隨著智能家居、智慧城市、工業(yè) 4.0、V2X 以及我們生活的其他方面越來越依賴物聯網網絡，我們的關注重點將轉向隱私和安全等更高層次的網絡屬性。這些新問題促使所有制造商和無線服務提供商開始將安全性作為網絡和設備設計的首要考慮因素。
新的數字化時代使企業(yè)和消費者不斷聯系在一起。高度互連的物聯網用戶大部分時間都在上網，工作、上學、玩游戲、玩社交媒體等等。不僅我們平均每天上網 8 小時以上，我們的物聯網設備亦是如此。這些物聯網與我們的傳感器和攝像頭進行 7x24 小時全天候在線交互，而這些傳感器、攝像頭和監(jiān)視器則將我們帶入始終在線的情景之中，尤其是在物聯網時代。
數字世界是動態(tài)的環(huán)境，可為我們提供許多不同的通信信道。其中最重要的信道就是英特網和物聯網。當今，在線通信具有快速、簡單和實時特點。它確保我們可以隨時訪問信息和數據。
在企業(yè)環(huán)境下，7x24 小時在線連接允許經理、員工、利益相關者和供應鏈隨時獲取和查看實時更新信息。當您不在辦公室時，也能夠隨時了解最新信息。特定行業(yè)的產品將會率先使用物聯網，但借助工業(yè) 4.0，在制造效率和成本管理的推動下，消費者也成為物聯網領域的重要組成部分。
消費者會購買數十億臺設備，安裝在家中，進行持續(xù)監(jiān)控、自動更新和手動更新，而這一切都是為了實現便利性、安全性、健康和降低成本。消費類物聯網有望提高我們環(huán)境、家居和車輛的智能化程度，可便于測量和溝通。此類物聯網始終在線，并等待我們與之通信，如 Amazon Alexa 或 Echo，或始終監(jiān)控正在發(fā)生的事情，以幫助我們就家庭環(huán)境和相關活動做出更明智的決定。
通過連接至機器部件或環(huán)境傳感器或我們客廳智能揚聲器的傳感器，物聯網可 7x24 小時全天候生成大量數據。這意味著，物聯網是進行大量數據分析的重要驅動力，以支持公司進行分析，并可提高智能事物的智能化水平。
這些數據有許多不同的形式，包括語音請求、傳感器讀數、視頻等。物聯網數據在不斷增長，將這些元數據輸入數據庫可實現非結構化內容的結構化，或輸入認知系統(tǒng)可為我們的環(huán)境帶來全新的決策、理解和智力水平。
我們周圍的這種物聯網決策、理解和智力水平有多少能讓人大開眼界。例如，許多人對家庭網絡中存在這么多物聯網設備感到驚訝。如果您的新家有新的家用電器和一兩部 Amazon Alexa，那么您的網絡中很快就會有 15 或 20 個互連設備。對您手機上的應用程序進行簡單調查就可以了解您家的物聯網水平：前門、客廳和后院裝有攝像頭；另一個應用程序適用于您的新洗衣機和烘干機，而且很有可能還適用于冰箱、烤箱和微波爐；家里有一兩部 Amazon Alexa。此外，可能還有一個應用程序用于家里的一些照明設備，也就是 3-10 個燈泡。您可能已經明白了。將它們加起來，周圍可能會有 10-20 個物聯網設備，或許還有兩三塊智能手表或 Fitbit 與幾部手機和平板電腦相連。它們始終處于開啟狀態(tài)，并與您的網絡以及彼此之間進行通信。物聯網設備始終處于開啟狀態(tài)，進行感測和監(jiān)控，并為我們以及與我們一起做出決策。像這樣的簡單調查可能令人難以置信，但同時也讓人著迷，它表明物聯網無處不在。
