工业物联网无线连接AIS-Link：RT-Chirp

方案介绍

艾森积极探索低成本泛工业物联网的无线通信技术。考虑泛工业物联网低功耗、低时延、抗干扰、密集业务等需求，艾森自研了RT-Chirp通信协议及系列模组、DTU和基站等硬件产品，提供了独特的低成本泛工业物联网组网方案。

艾森泛工业物联网组网方案采用星型结构，根据业务场景，按两层或三层网络结构部署。

两层网络包括基站和节点，基站和应用服务器直连，每个基站单独管理自己的网络。部署如下：

三层网络包括基站、节点和网络管理平台。网络管理平台统一协调整个网络，向应用服务器提供数据服务。部署如下：

方案优势

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，艾森组网方案可针对性地解决如下痛点：

抗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，虽然可利用TSCH技术规避，需要维持全网时隙同步。在多跳网络和移动网络中，实现时间同步代价大，效果不好。

AIS-Link优先考虑SubG频段和抗干扰能力强的物理层技术，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米，室内50米。因此，网络扩展只能依靠级联。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，簇首实现复杂，低功耗无法保证。同时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。

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

当前泛工业物联网领域，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：
- 数据大小的多样性，从几个字节到几十KB不等。
- 数据类型的多样性，包括指令数据、周期数据、突发数据、诊断数据等。
RT-Chirp使用双通道方案。竞争性信道采用CSMA/CA技术，满足入网、资源请求和告警数据的实时传输需求；非竞争性信道采用TDMA技术，满足周期型和大数据的传输需求。TDM时隙均为亚秒级，保证了低的传输时延。TDM时隙的TSCH特性提高了抗干扰性。
动态的时隙资源调度

RT-Chirp星型组网方便实现集中式时隙资源调度。当终端节点有上传数据需求，通过竞争性信道请求时隙资源；基站在每个调度周期计算当前周期的时隙分配；终端节点通过监听Beacon信道获取属于自己的上下时隙(包括重传时隙)的分配结果。上下行时隙动态分配，保证了时隙利用率的最大化。

AIS-Link基于星型组网，可以实现集中式网络资源调度。AIS-Link基站实现百毫秒级的资源调度，尤其适合对数据接入延迟有实时性要求的工业场景。

基站在动态调度时隙资源时会考虑基站和各终端节点的优先级队列的状态。
可靠传输和及时重传

RT-Chirp每个TDM时隙的数据消息均有确认。如果终端或基站没有收到确认，有机会在指定的重传信道重传。
对低功耗的支持

很多电池供电设备的供电时长至少一年以上，因此需要及时休眠。不支持空中唤醒机制的情况下，基站无法主动发送下行消息。此时，需要终端节点定时唤醒自己并主动发送上行包来触发下行消息的接收。基站在时隙分配时考虑该场景的支持。

同时，基站支持对终端节点发射功率的动态调节，进一步帮助终端节点降低功耗。
对拆组包的支持

很多通信协议均不支持负载的拆组包，交由应用层去实现。RT-Chirp协议封装了拆组包的功能，可以透明处理应用层的整包数据。