封面故事︱无限烦恼的无线连接

在两年前小米Note发布会上，雷军讲述了当时小米的理念，要"优雅地解决手机与智能设备互联问题"，他说："有些智能设备，我这样的专家花几个小时都连接不上"，物联网设备遇到的第一关居然是如何连上网，雷军有时候都要花好几个小时才搞懂连接方法，遑论不懂技术的普通消费者？

如今已经过去了两年，我已经不再重点关注手机市场，也不知小米是否还在为优雅地解决手机与智能设备互联问题而努力，但随着蓝牙5.0的推出与NBIoT标准冻结，物联网无线连接方案之争愈演愈烈。

 

 

目前面向物联网应用的无线连接技术多种多样，在覆盖范围、功耗高低、传输速率、载波频段以及布网便捷性等都方面都有差异。虽然不同的标准多是为了满足市场不同的需求而制定，但标准繁多也是不同行业之间为了商业利益相互争斗互不妥协的结果，互不妥协就造成了互不兼容，越来越多的无线接入方式，带给用户的不仅是便利，也有许多麻烦。雷军两年前的言论是从终端产品用户角度出发看无线连接，在我与多位电子行业的工程师交流过程中也了解到，纷繁复杂的无线连接也是普通工程师的噩梦，尤其是多无线连接设备，硬件工程师要考虑不同制式之间的干扰，软件工程师要考虑不同模式如何共存，这些都增加了开发难度。

本期封面故事既不讨论各种无线接入标准的优劣，也不预测哪种接入设备出货量更多，而是请厂商站在开发者与用户的角度来考虑问题：如何简化终端产品无线连接的开发难度，怎样增强无线连接的可靠性与实时性，以及无线连接的安全应如何保证。

此次专题共邀请了八家国内外无线连接领域知名的半导体公司，但两家国内厂商先后以不同原因退出，一家日本厂商与一家欧洲厂商事先声明不参加本次专访，美国高通公司在截止日之前没有给出任何回复。所以最终只有三家厂商参与本次专题，但我并不遗憾，我从来都认为，厂商不参加我的专题采访，不是我的损失，参加的厂商少反而是一件好事。

用户抱怨最多的无线连接问题是什么？
赛普拉斯（Cypress）亚太区物联网应用总监杨学贤认为，芯片厂商一般面对的是商业客户，与终端消费者担心无线技术复杂不同，一些商业客户认为无线设计很简单，非常容易搞定，这就把麻烦扔给了终端产品用户。

他举了一个例子：有一个客户计划采用无线方式传输音视频，根据其应用场景和同时接入用户数量，赛普拉斯推荐该客户采用支持802.11ac规格的无线传输系统，但客户认为并不需要802.11ac，该系统采用802.11n技术就可以实现。但实际产品出来后，由于传输带宽不够，在应用中就会偶尔出现视频流中断或者声音卡顿的现象，客户的用户在使用时体验很差。

凌力尔特（Linear Technology）Dust Networks产品部产品市场经理 Ross Yu则从工业应用角度来谈了这个问题，他表示，工业物联网无线连接系统的应用环境通常比消费类更严苛，而用户期望的无故障服役时间更长。在市场调研机构ON World对全球工业无线传感器网络（Wireless Sensor Network，简称WSN）用户进行的调查问卷显示，WSN的可靠性与安全性是用户最关注的问题。

Ross Yu强调，工业无线通信中偶尔的丢包可以接受，但决不允许出现较长时间的通信中断。假如数据出错率为1%，那么相当于每年有3.65天的计划外停机，这对工业用户来说是难以容忍的。以他的经验来看，半天的通信中断足以激怒客户，假如一年内出现两次半天通信中断，即便派人去维修好了，也有极大的可能会丢掉这个用户。

感臻科技副总裁曹跃泷表示，其客户在无线应用方面最多的抱怨是Zigbee网络不容易安装，配置起来很麻烦；相对而言，Wi-Fi设备部署简单，但也容易受干扰，连接的终端设备多了经常掉线。

对于改善方向，杨学贤认为，经验丰富的客户会认识到无线设计的风险，虚心听取芯片厂商的设计建议，这样开发出来的产品用户体验就会更好。"我们呼吁厂家，从最终用户的角度考虑，在产品无线连接方面多花些功夫，最终用户体验好了，产品才好卖。"

Marvell高级产品营销经理Jawad Haider也表示，优秀的技术文档、完整的工具链以及实时的技术支持是帮助客户工程师解决无线应用开发难的关键。

可靠性与实时性
由于不存在物理连接，所以无线连接的可靠性天然不如有线连接，但工业控制与汽车等应用对于可靠性与实时性又有极高的要求，那么无线技术是怎么来保证连接可靠性与实时性呢？

Ross Yu指出，要实现工业无线网络近零维护地常年运行，必须在网络架构设计时加入多种除障机制，给整个系统留出足够的冗余资源，以保证在故障出现时能够快速启用备用通道，从而在不丢数据的情况下恢复正常通信。对于无线传感网络（WSN），Ross Yu给出了两种基本的实现冗余设计的方法。

首先是空间冗余。一个无线节点周围，至少有另两个节点可以与之通信，路由策略须能实现数据可转发至其中任一节点，并最终将数据发送至目的节点。相比点对点通信，这种根据冗余通信节点策略而构建的无线网络，在首选路径出问题时，会自动跳转到备选路径，因此通信可靠性大幅提高。

其次是频道（或信道）冗余。信道跳频（channel hopping）的概念就是在载波频段同时存在多个信道，一对节点每次通信时都可随时切换信道。工业应用电磁环境复杂多变，某个指定信道偶尔被阻塞或中断的情况很常见，信道冗余有效降低了由于射频干扰而出现通信中断的几率。

Jawad Haider则表示，应用多用户多入多出技术（Multi Users Multi Inputs and Multi Outputs，简称MU-MIMO）有助于改善企业与家庭网络因接入点增多而导致的连接不可靠。目前Marvell正在开发支持新无线网络标准802.11ax的芯片，该芯片采用OFDMA技术，在无线性能上有很大的提升。802.11p已经对车载通信环境进行了优化，充分考虑了车载环境下的通信可靠性，目前Marvell最新的28纳米802.11ac芯片已经支持802.11p标准。

赛普拉斯在工业与汽车应用方面的无线方案也很多。杨学贤表示，赛普拉斯的无线连接芯片通过软硬件整合，以适应复杂的应用场景，在汽车与工业控制领域已经获得了很多客户的认可。

工业无线网络对实时性的要求主要体现在两点：第一，数据包吞吐量要持续稳定；第二，数据包传送时间要可控（即传输延迟在一定数值内，例如汽车无线接入延时通常要求为1mS）。 Ross Yu告诉记者，数据包冲突是造成网络拥堵与数据包传输延迟的主要原因之一，SmartMesh无线网络具备在网数据包零冲突（zero in-network collisions）特性， 因而保证了无线连接的实时性。

"在优化和提高无线连接实时性方面，Marvell做了很多工作，特别是音频传输这种对实时性要求高的应用，"Jawad Haider也强调，在无线网络实时性方面，Marvell实力不俗，"利用802.11mc中的精确时间测量（Fine Time Measurement，简称FTM）技术，我们还用软件实现了智能家庭应用中不同无线连接输出的同步。"

安全性与私密性
"早期Wi-Fi采用WEP（Wired Equivalent Privacy，等效有限加密）加密，容易被破解，后来技术上升级到WPA（Wi-Fi Protected Access，无线保护接入）、WPA2，WPA2实现了802.11i的强制性要求，采用公认彻底安全的CCMP讯息认证码（Counter Cipher Mode with Block Chaining Message Authentication Code Protocol，计数器模式密码块链消息完整码协议，简称CCMP），RC4（Rivest Cipher 4，Rivesr Cipher第四代算法）加密算法也被AES（Advanced Encryption Standard，高级加密标准）所取代，Wi-Fi技术的安全性已经非常高" 杨学贤表示，无线网络安全问题不仅困扰客户，也影响着物联网行业的发展。

"现在蓝牙4.0应用还比较普遍，但是蓝牙4.0没有安全措施，漏洞很大。"他认为，在健康监测与收费付款等应用上采用蓝牙4.0将会存在很高的风险，"蓝牙4.2标准加强了隐私保护和安全连接，采用可解析随机地址，防止对设备进行跟踪，对使用者的隐私进行保护。蓝牙4.2及以后的标准采用ECHD（Elliptical Curve Hellman-Diffie）算法生成密钥，密钥不通过无线交换，第三方设备无法截获加密密钥，蓝牙4.1或更老版本就没有这样安全功能。"

技术手段虽然重要，但杨学贤建议提升用户的安全意识也很重要。"有的厂家忽视安全隐患，仍然采用蓝牙4.0技术生产新产品；有些用户从不改变产品出厂的默认设置，密码几乎是公开的。只有厂家和用户真正重视起安全来，技术手段才能发挥作用。"

Jawad Haider也持类似观点，他认为随着无线技术越来越深入人们的日常生活，越来越多的标准和非标准安全技术被引入无线网络连接，以保护用户的隐私和安全。"蓝牙4.2新增的‘低功耗（LE）隐私与安全’特性就是一例。"

"凌力尔特认为，所有的无线传感器网络通信据须提供安全防护功能，安全是工业无线传感器网络的一个关键指标，"Ross Yu从对安全属性要求更高的工业应用来解释，他表示判断一个无线传感器网络（WSN）是否安全主要从如下三点入手：

机密性：除了被发送方指定的接收者之外，其他任何人都不能读取无线网络中传输的数据 一致性：确保接收到的任何信息都是发送方所要传送的原始信息，信息内容未经任何添加、删减或修改。 授权有效性：确保接收到的任何信息，源自该信息所标识的发送方。如果授权机制中还包含时间参数，那么该机制还可以保证信息不被录制和重播。

要实现上述要求，在WSN网络中必须引入许多重要的安全技术，包括更牢固的秘钥管理策略与更强的加密方法（例如AES128)，用于阻止中继攻击的加密级（cryptographic-quality）随机数生成器，每条信息内建的信息完整性（Message Integrity Checks，简称MIC）检查，以及用于设置设备访问权限的访问控制列表（Access Control Lists， 简称ACL）。

Ross Yu也指出，安全是一个全网概念，由于并非所有无线传感网络都有足够的安全措施，所以开发人员必须注意"把一个安全的WSN接到一个不安全的网关上，安全漏洞就开始出现，所以在系统设计中，必须考虑端到端的通信安全。"

复合芯片还是标准融合？
手机是目前最常见的多无线制式连接设备，除了工业专用无线连接（例如Zigbee、Lora等），一部智能手机至少要支持包括4G（后向兼容3G、2G）、Wi-Fi、蓝牙、GPS等无线技术，不同的无线接入方法在给用户带来便利的同时，也提升了手机的成本与射频设计的复杂度。

由于对成本要求较高，物联网芯片的无线连接以单一接入方式为主，但也有一些公司已经提供了复合接入芯片。例如Wi-Fi加蓝牙或者蓝牙加Zigbee的方案。

赛普拉斯的杨学贤就看好这种复合接入芯片的市场，"Wi-Fi蓝牙Combo（复合）芯片将是发展最快的无线复合接入方式。Wi-Fi蓝牙各有优点，Wi-Fi便于保持网络畅通，提供宽带链路，蓝牙测功耗低，易于链接。Combo芯片把它们的优势结合起来，在多种物联网设备中已经被广泛应用。"

Marvell的Jawad Haider的观点与杨学贤类似，但凌力尔特的Ross Yu则另有看法，他认为在工业应用中，最重要的是将传感器的数据从部署地安全可靠地传送到目的地，"与单芯片通信方式是否丰富相比，工业用户更看重无线通信服务质量。"

另外一方面，不同技术之间相互融合也在发生。很多公司已经在开展4G与Wi-Fi融合技术的研究，4G与局域网聚合技术（LTE WLAN Aggregation，简称 LWA）是IP层和协议层的数据融合，对当前LTE与Wi-Fi规范影响都不大，但授权波段辅助接入（License Assisted Access ，简称LAA)技术是在物理层进行数据融合，对两个标准的后续发展影响较大。

某行业资深专家表示，不同无线标准的相互融合，主要的障碍并不在技术上，以4G和Wi-Fi为例，两者基础技术类似，目前融合是两个标准组织竞合的表现，在巩固自己现有市场的同时，把触角延伸到对方领域去抢市场。

无论是两种制式集成在一颗芯片上，还是不同无线标准的相互融合，可以看到市场是有实际需求的，但究竟是无线标准逐渐趋于统一，还是单颗物联网芯片接入方式越来越多，接下来只能等市场选择与不同标准组织之间角力的结果了。