面向HAECS應用實現標準化的DECT技術解析

作者：Dialog半導體有限公司Steven Leussink與René Kohlmann

家庭網絡市場正在發生巨大變化——從恒溫器、電燈開關到門鎖和煙霧探測器，一系列種類繁多的家用系統都將實現聯網。這種轉變源于人們希望改善環境和降低能耗的共同愿望，并有望為各類科技公司帶來巨大商機。

據預測，僅在美國，家庭能源管理設備未來五年的出貨量就將超過1.4億件（GBI）。其它市場也與此類似，例如，此類設備在英國的市場總量預計將超過24億英鎊（IMS）。

盡管如此，此類設備必須支持現有家庭網絡，不同廠商的設備之間的互操作性是確保廠商業務成功獲得成功的關鍵所在。

全球有超過6億戶家庭安裝了家庭網絡（IMS預測），用于連接計算機、媒體播放器、智能電視機連接打印機、網絡連接存儲（NAS）系統、互聯網網關以及鼠標、耳麥、鍵盤等日益增多的配件。

與標準化的WiFi、以太網、USB等家庭計算網絡一樣，這些新的HAECS（家庭自動化、能源管理、護理與安全）網絡也必須實現標準化，以便采用一種具備互操作性、可覆蓋整個家庭、并能延長電池續航時間的技術；不僅如此，這個標準還必須具備可靠、安全、可擴展、容易設置的特點。

這個標準就是DECT。

作為事實標準的DECT

采用一個標準對于大規模推廣是必不可少的。它能夠確?；ゲ僮餍?，并提升客戶的信心，從而增加每個網絡中的節點數量，為最終用戶和服務提供商創造價值。

當今的很多解決方案不是基于某個標準，而是基于一些特殊利益集團。

與此相反，常常被忽視的DECT標準已在全球5.8億戶家庭中落戶，每年在約1.2億個出售給家庭用戶的新系統所采用。

一項歷史悠久、不斷演進的技術

問世于1987年的DECT（Digital Enhanced Cordless Telecommunications，數字增強型無線通信）是一個開放的ETSI標準，目的是在住宅、商業和公共環境中實現靈活的數字無線通信。它采用了多項能夠高效利用無線頻譜的先進技術，因此，能夠實現較高的語音質量、高達1 Mbps的原始數據速率和安全通信，而且干擾風險也非常低。

隨著時間的推移，DECT也在不斷演進，通過加入CAT-iq（Cordless Advanced Technology – internet and quality，無線先進技術－互聯網與質量）特性的DECT能提供寬帶語音質量，并能集成無線通信和互聯網服務，從而讓DECT電話能夠用于VoIP以及音頻流等其它互聯網應用，并確保不同廠商的網關及話機設備之間的互操作性。

在主流電信運營商的支持下，DECT技術及其CAT-iq特性已經被集成到眾多家庭網關和綜合接入設備中，不再需要單獨的調制解調器、路由器和電話基站，并實現了三網合一服務。據IMS Research預測，到 2015年，DECT/CAT-iq IAD（包括有線、xDSL和光纖）的全球普及率將達到35%，總量高達2500萬件設備。

DECT被HAECS應用忽視的原因之一是：人們直到現在還認為其功耗對于“fix-and-forget”型節點而言太高。但是，最新的DECT產品包含一個超低能耗模式，它是由ETSI批準的一種新模式，被稱為DECT ULE。

它可以讓感應器/執行器節點使用一節標準的AAA電池自主運行5至10年。DECT ULE全面兼容前幾代DECT 和CAT-iq產品，提供相同的語音質量、可靠性、安全通信和即插即用特性，并支持廣泛的現有DECT系統。

憑借CAT-iq和DECT ULE技術，DECT可完美匹配HAECS應用?？紤]到其較高的消費者接受程度、巨大的保有量以及互聯網連接性，DECT ULE的優勢明顯多于目前的其它網絡技術（見附錄）。

傳輸距離

任何家庭網絡技術必須能夠在一個典型房屋中可靠地傳輸數據。在探討某種RF技術的傳輸距離時，我們通常從鏈路預算（發射器和接收器之間可以彌補的路徑損耗）的角度考慮這個問題。為了覆蓋從地窖到屋頂的大部分房屋，我們需要約115 dB的最小鏈路預算。

各種HAECS技術的鏈路預算取決于數據速率、傳輸頻率、發射功率等用例選擇。表1列出了不同技術的用例選擇和最佳鏈路預算。

表：DECT擁有一個足夠覆蓋正常房屋的鏈路預算，并能以較高的速率傳輸數據。

憑借123 dB的鏈路預算，DECT明顯能夠滿足消費者對于家庭網絡的要求，讓他們能夠在家中自由行動，并將節點安裝在任何地方，甚至安裝在地窖、墻壁插座等不理想的地方。其它一些技術不具備所需的鏈路預算，需要將RF路徑分為多個較小的路徑段，例如，在網狀網中。因此，這要求將路由器安裝在屋內的特定位置，而且需要使用市電。對于消費者而言，這些因素提高了安裝的復雜性。

功耗與延時

Zigbee/802.15.4等技術經常宣稱其功耗低于任何其它網絡技術。但是，根據物理學原理，在傳輸距離和接收機率相同的情況下，發送相同數量的數據將消耗相同的能量。因此，當您考慮鏈路預算和將要交換的信息量時，所有建議的HAECS系統的實際功耗其實都很接近。

圖2：電池續航時間取決于睡眠/喚醒率，多類應用使用一節AAA電池可運行10年。

因此，節點運行時間（或電池續航時間）的最大區別源于睡眠/喚醒率，而后者與具體的用例延時要求有關。感應器的自運行時間大多取決于在它們處于非活動狀態時所發生的事件的數量。對于執行器而言，自運行時間通常由所需延時決定，而典型的執行器要求延時低于1秒。

采用DECT ULE時，如果每小時發生10個事件，一個典型的感應器應用使用一節AAA電池可以運行超過10 年（黃色曲線）。對于延時低于2秒的執行器而言，自運行時間仍能達到2年（紅色曲線）。

干擾、傳輸可靠性和數據傳輸量

各種無線信號之間的干擾可降低信息抵達目的地的機率，而消費者會對那些經常失效的產品失去興趣。即使干擾不會妨礙傳輸，它們仍會大幅降低該技術在室內的傳輸距離和自運行時間。

很多家庭網絡技術使用流行的sub-GHz或2.4 GHz工業/科學/醫療（ISM）頻段，因為其使用沒有任何地理限制。盡管如此，這些頻段非常擁擠，被保有量巨大的Wi-Fi、藍牙以及眾多專有設備所占據。

如果沒有在這些頻段中共存的協議，即使在不太擁擠的sub-GHz頻段內，也不能保證各個設備能夠共存。

這個問題不僅給Zigbee/802.15.4或RF4C等2.4 GHz頻段中的新來者，而且給眾多專有的sub GHz頻段解決方案帶來了巨大挑戰。為了確保系統的正常運行和服務質量，使用這些頻段的服務提供商將需要提供額外的安裝支持。對于IAD制造商而言，集成多個使用相同頻段的無線解決方案的前景并不美妙。共存只是解決存在問題，而在沒有一個認證機構的情況下如何成功部署這些設備，依然是一個極大的挑戰。

另一方面，DECT使用一個中心頻率為1.9 GHz的20 MHz寬頻段。該頻段在全球100多個國家為授權頻段，因此可以減少來自其它來源的干擾。而且很獨特的一點是，雖然該頻段是授權和預留頻段，但卻不用支付許可費。此外，DECT成熟的動態信道選擇/分配（DCS/DCA）功能可確保每次傳輸都使用最佳的可用無線信道。DECT DCA可被視為當今被稱為“認知無線電”的初期實現。因此，大量DECT系統可以在相同的頻段內共存，同時確?？煽康母哔|量通信。

互操作性

HAECS市場是一個分化很嚴重的市場，各個市場參與方僅支持HAECS 家庭網絡的某些元素?；ゲ僮餍圆粌H對于大量應用至關重要，而且還能為客戶創造價值。DECT 標準自問世以來就支持通用接入規范（GAP），以確保不同廠商的基站和話機之間的互操作性。后來的CAT-iq支持寬帶編解碼器協商等更高的互操作性。

為了保持這一優勢，由服務提供商、制造商和芯片廠商組成的DECT論壇舉辦了針對ULE設備的互操作性測試會議，并于今年年初在瑞士舉辦了第二屆會議。此外，ETSI正在完成 DECT 標準的修正案。

這些活動不僅能確?？蓪LE設備集成到傳統的DECT系統中，而且還能確保不同廠商的設備之間的互操作性。

網絡可擴展性

供熱系統、家庭安全、能源管理、家庭護理等一系列廣泛的應用形成了很多不兼容的子網，它們通常是一些獨立的解決方案，而不是諸如互聯網等大網絡的一部分。

將應用協議從傳輸協議（UDP/TCP）分離開一直是實現互聯網可擴展性的關鍵所在。鑒于這個原因，DECT/ULE 路線圖預見了對IPv6的整合，以實現從“云端”到終端節點的全程應用透明。將成功的互聯網標準（IETF）與DECT/ULE 標準相結合，為實現一個可擴展的無線設備網絡（物聯網）創造了獨特的機遇。

圖3：基本的星形（左）和樹形網絡

網狀和樹形拓撲結構等多跳網絡的規模易于擴展，但在家庭應用領域，它們的應用范圍有限，而且將增加安裝的復雜性。網狀Zigbee網絡因它們的復雜性而臭名昭著，但過去幾十年以來，消費者卻非常成功地部署了自我安裝型的DECT轉發器（樹形）。

節點密度（每平方米節點數）是僅次于網絡規模的第二大重要因素。使用sub GHz頻段的網絡很快會因較窄的可用帶寬（2MHz）耗盡容量，2.4 GHz解決方案也會因傳統產品之間的干擾而不符合要求；但是，系統帶寬高達20MHz的DECT ULE支持極高的節點密度。

截至2011年第一季度，全球已有5.4億戶家庭擁有固定寬帶連接（Point Topic），而且該數字正以每年 12%的速度增長，這為新一代基于互聯網的HAECS設備及服務帶來了巨大潛力。

這些基于DECT/ULE的網關將 HAECS 設備與互聯網無縫整合，從而創建一個萬事俱備的生態系統，讓服務提供商能夠開發各種新型服務，并提高每個設備的平均收益（ARPU）。

成本

Zigbee、藍牙和DECT都擁有類似的軟硬件要求。例如，Zigbee軟件棧約為100 Kbytes，DECT軟件棧為 60-80 Kbytes（取決于功能）。因此，這兩種技術的成本接近。

這意味著，技術的成熟度和產量是決定價格的主要因素。每年3億件銷量的DECT芯片代表了一個健康的多廠商市場，它可以確保較低的組件價格和充足的貨源。

當今的單芯片DECT SoC的價格遠低于ZigBee SoC的2-3美元價位，而且通常還提供語音編碼器、數據轉換器等一系列軟硬件資源，用于區分各類應用。

共享DECT功能還能為消費者進一步降低系統成本，這也包括現有的IAD。

語音與安全性

雖然語音應用與HACES沒有直接聯系，但對于幾種安全和家庭護理應用而言，語音鏈路卻最為重要。DECT最初是為無繩電話而設計的，因此自然能在家庭之內和之外提供高質量的語音鏈路。DECT目前支持AES-128加密鏈路，包括認證算法，而且在鏈路完整性方面擁有良好的記錄。DECT UL保持了同樣高的語音質量以及幾百萬個現有DECT系統中正在使用的語音傳輸安全機制，因此，可用于搭建類似于當今無線話機那樣可防竊聽的HAECS網絡。

安裝、配置、運行和維護

DECT ULE和它的前代無繩電話一樣易于安裝、配置和運行。

基于一種由所有設備執行的分布式算法（動態信道分配）的自動頻率規劃功能，可讓所有感應器/執行器使用完整的DECT頻譜，因此，與其它解決方案相比，簡化了配置工作。其星形拓撲結構將網絡配置工作簡化為一項經過驗證的消費者任務。

此外，通過無線方式升級固件（通過ETSI DECT標準的空中軟件升級（SUOTA））為ULE網絡賦予了前瞻性，提升了網絡提供商在現有配置中部署新產品的能力。

附錄：無線網絡協議對比

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