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AIS-Link-艾森智能的工业物联网连接协议

深圳市艾森智能技术有限公司致力于低功耗广域物联网技术创新和行业应用,推出了多个原创的联网解决方案,如TDM over LoRaWAN,、LoRaLAN 和LoRa Mesh等,为工业应用客户创造价值的同时,也为行业所认可。

目前,艾森积极探索LPWAN技术和工业物联网的结合,考虑工业物联网对无线连接技术所要求的低功耗、低延(时间敏感)、抗干扰等网络特性,以及工业物联网业务数据的多样性(周期数据、事件驱动和突发数据等)等数据特性,将低功耗物联网芯片(主要基于802.15.4物理层技术)和艾森智能研发的高可靠低时延工业物联网协议AIS-Link无缝集成,为多样性工业数据的实时采集和设备监控提供了独特的物联连接解决方案,包括艾森即将推出AIS-Link over LoRa 的解决方案RT-LoRa,以及AIS-Link over OFDM的解决方案RT-OFDM等。

比较市场上几大工业物联网无线连接标准如WirelessHART、ISA-100和 WIA-PA/FA,艾森智能AIS-Link可针对性地解决如下痛点:

无线干扰和多径衰落

  • 上述工业物联网标准由于带宽和时延考虑,均采用2.4G频段,与WiFi、蓝牙、Zigbee等其它无线技术存在严重的互干扰问题。无线通信固有的多径传播特性也是一种严重的自干扰。多径衰落可利用TSCH技术规避。但是TSCH需要全网时隙同步,在多跳网络和移动网络中,实现时间同步代价较大,效果也不好,严重影响了网络规模的扩展。
  • AIS-Link优先考虑SubG频段和抗干扰能力强的无线物理层技术,窄带如LoRa,宽带如OFDMA。LoRa是最近几年最炙手可热的LPWA网络技术,具备良好的抗外部干扰能力,与AIS-Link跳频技术结合,可以达到良好的抗多径衰落效果。OFDM属于一种更先进的调制技术,抗多径衰落表现优异。AIS-Link支持最新的IEEE 802.15.4-2015 OFDM标准,基于这一标准,AIS-Link能实现更高的带宽和更好的抗干扰能力。

信号覆盖与网络拓扑

  • 典型地,2.4G频段的网络覆盖一般为室外100~200米,室内低于100米。因此,网络扩展只能依靠级联和MESH组网。多跳网络跳数越多时延越大,网络越刚性,稳定性也越差。如WirelessHART就是一个非常刚性的TSCH多跳网络;WIA-PA采用星型+网状双拓扑结构,但是由于星型子网信号覆盖区域小,簇首的数量较多,也陷入MESH组网的不利局面。WIA-PA双拓扑结构导致簇首实现复杂,低功耗也无法保证。
  • AIS-Link优先考虑星型组网,使用低功耗远距离无线技术,扩大信号覆盖范围,基站单跳即可容纳更多的终端节点接入。在网络回传限制的情况下,只需少量的中继或基站互联即解决信号补盲或网络扩展的问题。

多样性数据传输需求

当前工业物联网领域,除了多媒体宽带传输需求外,更多的是中速率(低于400kpbs)或低速率(低于40kpbs)的传输带宽需求。

数据传输的多样性体现在:

  • 数据的大小

    典型的采用振动数据30KB左右,周期性采集数据250B左右,告警数据10B以下。

  • 数据的类型

    数据按用途可分为指令数据和业务数据。指令数据在节点入网认证、网络配置、网络控制等情况下使用,具有明显的随机性,数据量不大。

    业务数据分为周期型和突发型(Burst)。周期型数据的采集频次从小时到秒级不等,周期参数可根据需要在线调整。突发型数据数据可能因为节点进入异常状态而触发,也可能为平台下发采集指令所触发,因此需要网络动态分配传输资源。数据量可以是几个字节的告警数据,也可能是几十KB的节点诊断数据。

  • 柔性的动态资源调度

    紧急数据在传输资源冲突时将获得高优先级的调度。高可靠性数据需要在重传次数,重传算法和信道的选择上优先考虑。低时延数据在实时性上有刚性的调度需求。

    这些多样性数据传输需求,上述的三大标准协议多偏重于解决某一些场景,没有做到全场景的完美适配。

    AIS-Link创新使用双通道或多通道方案,其中一个或多个通道为竞争性信道,采用Slotted CSMA/CA技术,满足指令数据和突发型小数据的传输需求,另一个或几个通道为非竞争性信道,采用TSCH+Beacon Enabled技术,满足周期型和突发型大数据的传输需求。

    在TSCH技术中,AIS-Link也独创性地提出了Multi-Slots的信道概念。一个信道可以映射到单时隙,也可以映射到一个时隙组,灵活地满足不同数据包大小的集中传输需求。

信号覆盖与网络拓扑

  • 全场景地支持多样性数据传输,就需要网络调度算法实现动态的柔性资源分配。由于网络节点之间地对等性和多跳特征,MESH网络的资源调度非常复杂。总体上,MESH存在集中式调度和分布式调度,不同的调度策略各有其局限性,难以兼顾一致性,易用性,以及拓扑快速收敛能力。
  • AIS-Link基于星型组网,可以实现集中式网络资源调度。AIS-Link基站实现了毫秒级的资源调度。每Beacon周期开始时,基站完成该周期所有TSCH时隙的分配。TSCH时隙分为上行静态、下行静态、上行动态、下行动态、上行紧急等多种类型。AIS-Link尤其适合对数据接入延迟有实时性要求的工业场景。
  • 静态时隙根据周期性业务需求被预分配。
  • 动态时隙则按需实时分配,动态时隙分配典型场景:

    突发型大数据,需要使用非竞争型信道传输。比如,节点诊断数据、功图数据等上行数据,或者在线升级包等下行数据。这些数据需要分片重组和集中式传输,并保证传输无冲突。

    休眠节点的下行数据。基站缓存休眠节点的下行数据直到该节点醒来。基站使用该节点的上行数据的应答指示动态分配下行数据的时隙。

节点如果需要上传紧急数据,可通过上行紧急时隙通道无冲突上传。

如上所述,我们认为AIS-Link协议具备独特优势,和LoRa、OFDM等无线技术结合,可以获得工业物联网全场景解决方案能力。部署方案根据现场需求,可以按两层或三层网络结构部署。

两层网络包括基站和节点,其中网络管理软件内嵌于基站,可部署如下:

三层网络独立的网络管理软件(NS),基站和节点,网络管理软件对基站和节点资源统一认证和管理。可采用如下部署:

艾森智能提供基于AIS-Link工业物联网连接协议具有足够的灵活性,其实现(RT-LoRa和RT-OFDM)包括系列模组、网关、芯片和网络服务,通过和基于边缘计算平台或云端部署的工业物联网实时数据服务平台senzFlow.io集成,可方便实现泛在电力物联网、智慧油气田和智能工厂等工业物联网场景的接入协议,为上层应用,如Cloud SCADA等,提供强大的服务。