AIS-Link-艾森智能的工業物聯網連接協議

深圳市艾森智能技術有限公司致力于低功耗廣域物聯網技術創新和行業應用，推出了多個原創的聯網解決方案，如TDM over LoRaWAN,、LoRaLAN 和LoRa Mesh等，為工業應用客戶創造價值的同時，也為行業所認可。

目前，艾森積極探索LPWAN技術和工業物聯網的結合，考慮工業物聯網對無線連接技術所要求的低功耗、低延（時間敏感）、抗干擾等網絡特性，以及工業物聯網業務數據的多樣性（周期數據、事件驅動和突發數據等）等數據特性，將低功耗物聯網芯片（主要基于802.15.4物理層技術）和艾森智能研發的高可靠低時延工業物聯網協議AIS-Link無縫集成，為多樣性工業數據的實時采集和設備監控提供了獨特的物聯連接解決方案，包括艾森即將推出AIS-Link over LoRa 的解決方案RT-Chirp，以及AIS-Link over OFDM的解決方案RT-OFDM等。

比較市場上幾大工業物聯網無線連接標準如WirelessHART、ISA-100和 WIA-PA/FA，艾森智能AIS-Link可針對性地解決如下痛點：

無線干擾和多徑衰落

• 上述工業物聯網標準由于帶寬和時延考慮，均采用2.4G頻段，與WiFi、藍牙、Zigbee等其它無線技術存在嚴重的互干擾問題。無線通信固有的多徑傳播特性也是一種嚴重的自干擾。多徑衰落可利用TSCH技術規避。但是TSCH需要全網時隙同步，在多跳網絡和移動網絡中，實現時間同步代價較大，效果也不好，嚴重影響了網絡規模的擴展。
• AIS-Link優先考慮SubG頻段和抗干擾能力強的無線物理層技術，窄帶如LoRa，寬帶如OFDMA。LoRa是最近幾年最炙手可熱的LPWA網絡技術，具備良好的抗外部干擾能力，與AIS-Link跳頻技術結合，可以達到良好的抗多徑衰落效果。OFDM屬于一種更先進的調制技術，抗多徑衰落表現優異。AIS-Link支持最新的IEEE 802.15.4-2015 OFDM標準，基于這一標準，AIS-Link能實現更高的帶寬和更好的抗干擾能力。

信號覆蓋與網絡拓撲

• 典型地，2.4G頻段的網絡覆蓋一般為室外100~200米，室內低于100米。因此，網絡擴展只能依靠級聯和MESH組網。多跳網絡跳數越多時延越大，網絡越剛性，穩定性也越差。如WirelessHART就是一個非常剛性的TSCH多跳網絡；WIA-PA采用星型+網狀雙拓撲結構，但是由于星型子網信號覆蓋區域小，簇首的數量較多，也陷入MESH組網的不利局面。WIA-PA雙拓撲結構導致簇首實現復雜，低功耗也無法保證。
• AIS-Link優先考慮星型組網，使用低功耗遠距離無線技術，擴大信號覆蓋范圍，基站單跳即可容納更多的終端節點接入。在網絡回傳限制的情況下，只需少量的中繼或基站互聯即解決信號補盲或網絡擴展的問題。

多樣性數據傳輸需求

當前工業物聯網領域，除了多媒體寬帶傳輸需求外，更多的是中速率（低于400kpbs）或低速率（低于40kpbs）的傳輸帶寬需求。

數據傳輸的多樣性體現在：

• 數據的大小

  典型的采用振動數據30KB左右，周期性采集數據250B左右，告警數據10B以下。

• 數據的類型

  數據按用途可分為指令數據和業務數據。指令數據在節點入網認證、網絡配置、網絡控制等情況下使用，具有明顯的隨機性，數據量不大。

  業務數據分為周期型和突發型(Burst)。周期型數據的采集頻次從小時到秒級不等，周期參數可根據需要在線調整。突發型數據數據可能因為節點進入異常狀態而觸發，也可能為平臺下發采集指令所觸發，因此需要網絡動態分配傳輸資源。數據量可以是幾個字節的告警數據，也可能是幾十KB的節點診斷數據。

• 柔性的動態資源調度

  緊急數據在傳輸資源沖突時將獲得高優先級的調度。高可靠性數據需要在重傳次數，重傳算法和信道的選擇上優先考慮。低時延數據在實時性上有剛性的調度需求。

  這些多樣性數據傳輸需求，上述的三大標準協議多偏重于解決某一些場景，沒有做到全場景的完美適配。

  AIS-Link創新使用雙通道或多通道方案，其中一個或多個通道為競爭性信道，采用Slotted CSMA/CA技術，滿足指令數據和突發型小數據的傳輸需求，另一個或幾個通道為非競爭性信道，采用TSCH+Beacon Enabled技術，滿足周期型和突發型大數據的傳輸需求。

  在TSCH技術中，AIS-Link也獨創性地提出了Multi-Slots的信道概念。一個信道可以映射到單時隙，也可以映射到一個時隙組，靈活地滿足不同數據包大小的集中傳輸需求。

信號覆蓋與網絡拓撲

• 全場景地支持多樣性數據傳輸，就需要網絡調度算法實現動態的柔性資源分配。由于網絡節點之間地對等性和多跳特征，MESH網絡的資源調度非常復雜?？傮w上，MESH存在集中式調度和分布式調度，不同的調度策略各有其局限性，難以兼顧一致性，易用性，以及拓撲快速收斂能力。
• AIS-Link基于星型組網，可以實現集中式網絡資源調度。AIS-Link基站實現了毫秒級的資源調度。每Beacon周期開始時，基站完成該周期所有TSCH時隙的分配。TSCH時隙分為上行靜態、下行靜態、上行動態、下行動態、上行緊急等多種類型。AIS-Link尤其適合對數據接入延遲有實時性要求的工業場景。
• 靜態時隙根據周期性業務需求被預分配。

動態時隙則按需實時分配，動態時隙分配典型場景：

突發型大數據，需要使用非競爭型信道傳輸。比如，節點診斷數據、功圖數據等上行數據，或者在線升級包等下行數據。這些數據需要分片重組和集中式傳輸，并保證傳輸無沖突。

休眠節點的下行數據?；揪彺嫘菝吖濣c的下行數據直到該節點醒來?；臼褂迷摴濣c的上行數據的應答指示動態分配下行數據的時隙。

節點如果需要上傳緊急數據，可通過上行緊急時隙通道無沖突上傳。

如上所述，我們認為AIS-Link協議具備獨特優勢，和LoRa、OFDM等無線技術結合，可以獲得工業物聯網全場景解決方案能力。部署方案根據現場需求，可以按兩層或三層網絡結構部署。

兩層網絡包括基站和節點，其中網絡管理軟件內嵌于基站，可部署如下：

三層網絡獨立的網絡管理軟件(NS)，基站和節點，網絡管理軟件對基站和節點資源統一認證和管理?？刹捎萌缦虏渴穑?/p>

艾森智能提供基于AIS-Link工業物聯網連接協議具有足夠的靈活性，其實現（RT-Chirp和RT-OFDM）包括系列模組、網關、芯片和網絡服務，通過和基于邊緣計算平臺或云端部署的工業物聯網實時數據服務平臺senzFlow.io集成，可方便實現泛在電力物聯網、智慧油氣田和智能工廠等工業物聯網場景的接入協議，為上層應用，如Cloud SCADA等，提供強大的服務。