工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)發(fā)的最大希望是從物質(zhì)世界來(lái)的數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的爆炸性增長(zhǎng),這些數(shù)據(jù)的適當(dāng)使用可以提高我們生活的效率和質(zhì)量,跨越一系列環(huán)境,從我們的家庭和城市到我們的工廠和辦公室,以及之間的一切。

根據(jù) 世界經(jīng)濟(jì)論壇 到2020年底,人類(lèi)將產(chǎn)生大約44個(gè)零字節(jié)的數(shù)據(jù)。這種累積的"數(shù)字宇宙"主要是由我們集體的互聯(lián)網(wǎng)搜索、信息、社交媒體活動(dòng)和娛樂(lè)消費(fèi)形成的。換句話說(shuō),主要是"數(shù)字本地"數(shù)據(jù)。

國(guó)際物理觀察組織的最終愿景將以指數(shù)級(jí)的速度加速數(shù)據(jù)的生成,因?yàn)樗?shù)萬(wàn)億物理世界端點(diǎn)的可操作的見(jiàn)解轉(zhuǎn)化為信息。然而,盡管有其潛力,但國(guó)際物流組織一直沒(méi)有達(dá)到分析師的預(yù)期。

在規(guī)模上實(shí)現(xiàn)生物技術(shù)指標(biāo)的挑戰(zhàn)

最基本的限制之一是規(guī)模--要實(shí)現(xiàn)如此巨大的價(jià)值,就需要有如此大量的傳感器的無(wú)線網(wǎng)絡(luò),以便從根本上挑戰(zhàn)當(dāng)今技術(shù)能力的界限。

大規(guī)模部署傳感器的一個(gè)挑戰(zhàn)是功率問(wèn)題。數(shù)萬(wàn)億個(gè)傳感器將需要數(shù)萬(wàn)億個(gè)電池,使世界處于電池維護(hù)的倉(cāng)鼠輪上,從成本、物流和可持續(xù)性的角度看,這是無(wú)法證明其好處的。

能量收集提供了一種解決辦法,使傳感器能夠在沒(méi)有電池的情況下工作,而不是依靠環(huán)境能源,如溫度差、振動(dòng)和光線。

解決一階的電力規(guī)模問(wèn)題,對(duì)于實(shí)現(xiàn)萬(wàn)億美元的夢(mèng)想有很大的幫助。它避免了不間斷的更換電池這一讓人麻木的任務(wù)。根據(jù)你對(duì)電池進(jìn)步的看法,這樣一個(gè)電池操作設(shè)備的世界每天需要2.74億到9.13億次的更換--這是一種無(wú)法持續(xù)的方法,用于提高效率的一類(lèi)技術(shù)。

另一個(gè)主要挑戰(zhàn)是無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。特別是,利用一個(gè)無(wú)線協(xié)議,它不僅能夠在低功率的情況下運(yùn)行,使電池不受影響,而且還能同時(shí)支持高密度網(wǎng)絡(luò)、低延遲操作、充足的數(shù)據(jù)速率和可靠的范圍。

現(xiàn)有的無(wú)線協(xié)議不需要電池就需要太多的電力,所以他們不能完全依靠能量。對(duì)于那些可以使用較低功率操作的人來(lái)說(shuō),無(wú)線范圍很小,而且這些協(xié)議不會(huì)擴(kuò)展到大量的設(shè)備。研究人員正在開(kāi)發(fā)能夠同時(shí)解決所有這些問(wèn)題的新的無(wú)線協(xié)議。

規(guī)模無(wú)線網(wǎng)絡(luò)

在一秒鐘內(nèi),無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)與一萬(wàn)億個(gè)連接設(shè)備到底會(huì)是什么樣子?根據(jù)今天300億個(gè)連接設(shè)備和地球上約4000萬(wàn)平方英里的可居住土地的最新估計(jì),我們可以估計(jì)出,地球上每平方英里分布著750個(gè)設(shè)備。有了一萬(wàn)億個(gè)設(shè)備,每平方英里就有25000個(gè)設(shè)備。

當(dāng)然,設(shè)備分布不均勻。相反,在相互關(guān)聯(lián)的"事物"和人口集中之間存在著某種相關(guān)性;在人口中心及其周?chē)渴鹆烁嗟募夹g(shù)。

如果我們?cè)谌澜?8億人口中分配1萬(wàn)億個(gè)連接設(shè)備,我們將每人擁有128個(gè)設(shè)備。如表1所示,這將使大都會(huì)和人口較少的城市的設(shè)備密度驚人。

平均來(lái)說(shuō),美國(guó)前10名。大城市,包括城市中心和周?chē)慕紖^(qū),需要把193,171個(gè)設(shè)備塞進(jìn)每平方英里。但這不僅僅是世界上最大城市的問(wèn)題。對(duì)于中等規(guī)模的城市,如密執(zhí)安阿伯,設(shè)備密度。北卡羅來(lái)納州夏洛茨維爾加州圣克拉拉。,超過(guò)前十位平均值。

無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)比較

隨著能量問(wèn)題通過(guò)能量收集來(lái)解決,現(xiàn)在需要一個(gè)一萬(wàn)億個(gè)自我維持節(jié)點(diǎn)在現(xiàn)實(shí)世界中進(jìn)行可靠的通信。它們不僅需要完全依靠所獲得的能源預(yù)算來(lái)運(yùn)作,而且還需要通過(guò)各種物理障礙和無(wú)線干擾盡可能近實(shí)時(shí)地傳送有意義的數(shù)據(jù)包。這些節(jié)點(diǎn)將必須完成所有這些工作,同時(shí)在已經(jīng)提到的其他設(shè)備的高度濃度中共存。

Wi-Fi和手機(jī)窄帶無(wú)線電或許是當(dāng)今最普遍的無(wú)線標(biāo)準(zhǔn),但每一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)都需要過(guò)多的電力才能使用所節(jié)省的電力,因此必須依靠電池。然而,即使有電池,這些網(wǎng)絡(luò)的功率也太高,無(wú)法持續(xù)通信。要在任何可忍受的壽命內(nèi)持續(xù)下去,Wi-Fi和蜂窩式無(wú)線電設(shè)備必須大大調(diào)節(jié)傳輸,最多只能每天發(fā)送幾次數(shù)據(jù)。

其他個(gè)人和局域網(wǎng),如藍(lán)牙和Zigbee,提供了低功率的解決方案,但是它們的范圍很小,而且它們不會(huì)擴(kuò)展到大量的設(shè)備。他們還需要附近的智能手機(jī)或網(wǎng)關(guān)。對(duì)于智能家居和可穿戴設(shè)備等消費(fèi)應(yīng)用程序來(lái)說(shuō),這些已經(jīng)足夠了,但不能成為連接1萬(wàn)億個(gè)設(shè)備的答案。

一套針對(duì)移動(dòng)通信網(wǎng)的新的無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)是低功率廣域網(wǎng)(LPWAN),如洛拉和西格狐。雖然這些無(wú)線協(xié)議提供了更長(zhǎng)的通信范圍,但它們并不支持高數(shù)據(jù)速率。像Wi-Fi和手機(jī)一樣,這些協(xié)議通常將每天的傳輸次數(shù)限制在很少的時(shí)間,這使得它們不適合需要實(shí)時(shí)觀察的應(yīng)用程序。

所有這些協(xié)議都有一個(gè)共同點(diǎn),那就是它們必須通過(guò)無(wú)線電"任務(wù)周期"來(lái)降低功率消耗。這意味著他們的收音機(jī)大部分時(shí)間都在關(guān)閉以節(jié)省電源,這正是為什么這些解決方案有更高的延遲,更低的吞吐量和花費(fèi)大量的電源在同步時(shí),當(dāng)收音機(jī)確實(shí)打開(kāi)并需要重新連接網(wǎng)關(guān)。

新的無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)

如果您正在遵循新出現(xiàn)的5G標(biāo)準(zhǔn),您可能知道它主要側(cè)重于速度、吞吐量和數(shù)據(jù)量。雖然5G確實(shí)將在移動(dòng)視頻流媒體、游戲和其他高帶寬應(yīng)用領(lǐng)域創(chuàng)造奇跡,但蜂窩標(biāo)準(zhǔn)太過(guò)耗電,沒(méi)有電池就無(wú)法運(yùn)行。在支持無(wú)電池操作之前,無(wú)線標(biāo)準(zhǔn)將無(wú)法解決數(shù)萬(wàn)億個(gè)自我維持的工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)發(fā)設(shè)備的擴(kuò)散問(wèn)題。

5G社區(qū)正在認(rèn)真考慮增加多功能測(cè)試標(biāo)準(zhǔn),以適應(yīng)廣泛的低功率設(shè)備和應(yīng)用。這些應(yīng)用被廣泛地分類(lèi)為大規(guī)模機(jī)器式通信(MMTC),目標(biāo)是大量的低功率設(shè)備,以及超可靠的低延遲通信,目標(biāo)是工業(yè)控制和自主車(chē)輛。

為了適應(yīng)這兩種情況,目前正在開(kāi)發(fā)單獨(dú)的細(xì)胞核電站協(xié)議。這些協(xié)議是建立在細(xì)胞框架之上的;今天和將來(lái)的5G新無(wú)線電(NR)。由于這些工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)發(fā)協(xié)議與高性能的蜂窩協(xié)議共享頻譜,所以即使是工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)發(fā)設(shè)備也有嚴(yán)格的性能要求,以避免對(duì)現(xiàn)有設(shè)備的干擾。

一種可以作為新無(wú)線協(xié)議模型的方法是與FCC兼容的一種新的專(zhuān)有無(wú)線網(wǎng)絡(luò)解決方案,該方案旨在支持高密度的無(wú)電池設(shè)備。它利用一個(gè)一直在使用的超低功率接收器,以大幅降低功率消耗,同時(shí)支持?jǐn)?shù)千個(gè)具有毫秒延遲和超過(guò)250米的非視線范圍的傳感器。

核心的URP一直接收機(jī)能夠真正的持續(xù)運(yùn)行,使工廠能夠?qū)崿F(xiàn)真正的實(shí)時(shí)洞察力,而不帶關(guān)稅騎自行車(chē),以節(jié)省電池壽命。擁有幾百米的非視線范圍,以及連接每個(gè)網(wǎng)關(guān)數(shù)千個(gè)設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃,埃弗特提供了這種洞察力,其基礎(chǔ)設(shè)施足跡最小。表2提供了每一個(gè)競(jìng)爭(zhēng)的低功率的核電站清單協(xié)議的比較。

最后的想法

制造廠、煉油廠和其他大型校園,都在尋求從IIAT技術(shù)中獲益,他們面臨著一系列的選擇,從傳感器設(shè)備到云分析平臺(tái),這些選擇涵蓋了整個(gè)技術(shù)堆棧。如何將數(shù)據(jù)從這些設(shè)備傳輸?shù)皆破脚_(tái)是難題中的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié),對(duì)安裝和維護(hù)、可伸縮性和數(shù)據(jù)可靠性有著重大影響。最終,選擇正確的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)將在解決方案的所有權(quán)總成本中發(fā)揮重要作用,并產(chǎn)生投資回報(bào)。

如果我們繼續(xù)打破電力和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的障礙,實(shí)現(xiàn)一萬(wàn)億個(gè)設(shè)備,想象一下工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)開(kāi)發(fā)能有多大的影響力。