面向HAECS应用实现标准化的DECT技术解析

作者：Dialog半导体有限公司Steven Leussink与René Kohlmann

家庭网络市场正在发生巨大变化——从恒温器、电灯开关到门锁和烟雾探测器，一系列种类繁多的家用系统都将实现联网。这种转变源于人们希望改善环境和降低能耗的共同愿望，并有望为各类科技公司带来巨大商机。

据预测，仅在美国，家庭能源管理设备未来五年的出货量就将超过1.4亿件（GBI）。其它市场也与此类似，例如，此类设备在英国的市场总量预计将超过24亿英镑（IMS）。

尽管如此，此类设备必须支持现有家庭网络，不同厂商的设备之间的互操作性是确保厂商业务成功获得成功的关键所在。

全球有超过6亿户家庭安装了家庭网络（IMS预测），用于连接计算机、媒体播放器、智能电视机连接打印机、网络连接存储（NAS）系统、互联网网关以及鼠标、耳麦、键盘等日益增多的配件。

与标准化的WiFi、以太网、USB等家庭计算网络一样，这些新的HAECS（家庭自动化、能源管理、护理与安全）网络也必须实现标准化，以便采用一种具备互操作性、可覆盖整个家庭、并能延长电池续航时间的技术；不仅如此，这个标准还必须具备可靠、安全、可扩展、容易设置的特点。

这个标准就是DECT。

作为事实标准的DECT

采用一个标准对于大规模推广是必不可少的。它能够确保互操作性，并提升客户的信心，从而增加每个网络中的节点数量，为最终用户和服务提供商创造价值。

当今的很多解决方案不是基于某个标准，而是基于一些特殊利益集团。

与此相反，常常被忽视的DECT标准已在全球5.8亿户家庭中落户，每年在约1.2亿个出售给家庭用户的新系统所采用。

一项历史悠久、不断演进的技术

问世于1987年的DECT（Digital Enhanced Cordless Telecommunications，数字增强型无线通信）是一个开放的ETSI标准，目的是在住宅、商业和公共环境中实现灵活的数字无线通信。它采用了多项能够高效利用无线频谱的先进技术，因此，能够实现较高的语音质量、高达1 Mbps的原始数据速率和安全通信，而且干扰风险也非常低。

随着时间的推移，DECT也在不断演进，通过加入CAT-iq（Cordless Advanced Technology – internet and quality，无线先进技术－互联网与质量）特性的DECT能提供宽带语音质量，并能集成无线通信和互联网服务，从而让DECT电话能够用于VoIP以及音频流等其它互联网应用，并确保不同厂商的网关及话机设备之间的互操作性。

在主流电信运营商的支持下，DECT技术及其CAT-iq特性已经被集成到众多家庭网关和综合接入设备中，不再需要单独的调制解调器、路由器和电话基站，并实现了三网合一服务。据IMS Research预测，到 2015年，DECT/CAT-iq IAD（包括有线、xDSL和光纤）的全球普及率将达到35%，总量高达2500万件设备。

DECT被HAECS应用忽视的原因之一是：人们直到现在还认为其功耗对于“fix-and-forget”型节点而言太高。但是，最新的DECT产品包含一个超低能耗模式，它是由ETSI批准的一种新模式，被称为DECT ULE。

它可以让感应器/执行器节点使用一节标准的AAA电池自主运行5至10年。DECT ULE全面兼容前几代DECT 和CAT-iq产品，提供相同的语音质量、可靠性、安全通信和即插即用特性，并支持广泛的现有DECT系统。

凭借CAT-iq和DECT ULE技术，DECT可完美匹配HAECS应用。考虑到其较高的消费者接受程度、巨大的保有量以及互联网连接性，DECT ULE的优势明显多于目前的其它网络技术（见附录）。

传输距离

任何家庭网络技术必须能够在一个典型房屋中可靠地传输数据。在探讨某种RF技术的传输距离时，我们通常从链路预算（发射器和接收器之间可以弥补的路径损耗）的角度考虑这个问题。为了覆盖从地窖到屋顶的大部分房屋，我们需要约115 dB的最小链路预算。

各种HAECS技术的链路预算取决于数据速率、传输频率、发射功率等用例选择。表1列出了不同技术的用例选择和最佳链路预算。

表：DECT拥有一个足够覆盖正常房屋的链路预算，并能以较高的速率传输数据。

凭借123 dB的链路预算，DECT明显能够满足消费者对于家庭网络的要求，让他们能够在家中自由行动，并将节点安装在任何地方，甚至安装在地窖、墙壁插座等不理想的地方。其它一些技术不具备所需的链路预算，需要将RF路径分为多个较小的路径段，例如，在网状网中。因此，这要求将路由器安装在屋内的特定位置，而且需要使用市电。对于消费者而言，这些因素提高了安装的复杂性。

功耗与延时

Zigbee/802.15.4等技术经常宣称其功耗低于任何其它网络技术。但是，根据物理学原理，在传输距离和接收机率相同的情况下，发送相同数量的数据将消耗相同的能量。因此，当您考虑链路预算和将要交换的信息量时，所有建议的HAECS系统的实际功耗其实都很接近。

图2：电池续航时间取决于睡眠/唤醒率，多类应用使用一节AAA电池可运行10年。

因此，节点运行时间（或电池续航时间）的最大区别源于睡眠/唤醒率，而后者与具体的用例延时要求有关。感应器的自运行时间大多取决于在它们处于非活动状态时所发生的事件的数量。对于执行器而言，自运行时间通常由所需延时决定，而典型的执行器要求延时低于1秒。

采用DECT ULE时，如果每小时发生10个事件，一个典型的感应器应用使用一节AAA电池可以运行超过10 年（黄色曲线）。对于延时低于2秒的执行器而言，自运行时间仍能达到2年（红色曲线）。

干扰、传输可靠性和数据传输量

各种无线信号之间的干扰可降低信息抵达目的地的机率，而消费者会对那些经常失效的产品失去兴趣。即使干扰不会妨碍传输，它们仍会大幅降低该技术在室内的传输距离和自运行时间。

很多家庭网络技术使用流行的sub-GHz或2.4 GHz工业/科学/医疗（ISM）频段，因为其使用没有任何地理限制。尽管如此，这些频段非常拥挤，被保有量巨大的Wi-Fi、蓝牙以及众多专有设备所占据。

如果没有在这些频段中共存的协议，即使在不太拥挤的sub-GHz频段内，也不能保证各个设备能够共存。

这个问题不仅给Zigbee/802.15.4或RF4C等2.4 GHz频段中的新来者，而且给众多专有的sub GHz频段解决方案带来了巨大挑战。为了确保系统的正常运行和服务质量，使用这些频段的服务提供商将需要提供额外的安装支持。对于IAD制造商而言，集成多个使用相同频段的无线解决方案的前景并不美妙。共存只是解决存在问题，而在没有一个认证机构的情况下如何成功部署这些设备，依然是一个极大的挑战。

另一方面，DECT使用一个中心频率为1.9 GHz的20 MHz宽频段。该频段在全球100多个国家为授权频段，因此可以减少来自其它来源的干扰。而且很独特的一点是，虽然该频段是授权和预留频段，但却不用支付许可费。此外，DECT成熟的动态信道选择/分配（DCS/DCA）功能可确保每次传输都使用最佳的可用无线信道。DECT DCA可被视为当今被称为“认知无线电”的初期实现。因此，大量DECT系统可以在相同的频段内共存，同时确保可靠的高质量通信。

互操作性

HAECS市场是一个分化很严重的市场，各个市场参与方仅支持HAECS 家庭网络的某些元素。互操作性不仅对于大量应用至关重要，而且还能为客户创造价值。DECT 标准自问世以来就支持通用接入规范（GAP），以确保不同厂商的基站和话机之间的互操作性。后来的CAT-iq支持宽带编解码器协商等更高的互操作性。

为了保持这一优势，由服务提供商、制造商和芯片厂商组成的DECT论坛举办了针对ULE设备的互操作性测试会议，并于今年年初在瑞士举办了第二届会议。此外，ETSI正在完成 DECT 标准的修正案。

这些活动不仅能确保可将ULE设备集成到传统的DECT系统中，而且还能确保不同厂商的设备之间的互操作性。

网络可扩展性

供热系统、家庭安全、能源管理、家庭护理等一系列广泛的应用形成了很多不兼容的子网，它们通常是一些独立的解决方案，而不是诸如互联网等大网络的一部分。

将应用协议从传输协议（UDP/TCP）分离开一直是实现互联网可扩展性的关键所在。鉴于这个原因，DECT/ULE 路线图预见了对IPv6的整合，以实现从“云端”到终端节点的全程应用透明。将成功的互联网标准（IETF）与DECT/ULE 标准相结合，为实现一个可扩展的无线设备网络（物联网）创造了独特的机遇。

图3：基本的星形（左）和树形网络

网状和树形拓扑结构等多跳网络的规模易于扩展，但在家庭应用领域，它们的应用范围有限，而且将增加安装的复杂性。网状Zigbee网络因它们的复杂性而臭名昭著，但过去几十年以来，消费者却非常成功地部署了自我安装型的DECT转发器（树形）。

节点密度（每平方米节点数）是仅次于网络规模的第二大重要因素。使用sub GHz频段的网络很快会因较窄的可用带宽（2MHz）耗尽容量，2.4 GHz解决方案也会因传统产品之间的干扰而不符合要求；但是，系统带宽高达20MHz的DECT ULE支持极高的节点密度。

截至2011年第一季度，全球已有5.4亿户家庭拥有固定宽带连接（Point Topic），而且该数字正以每年 12%的速度增长，这为新一代基于互联网的HAECS设备及服务带来了巨大潜力。

这些基于DECT/ULE的网关将 HAECS 设备与互联网无缝整合，从而创建一个万事俱备的生态系统，让服务提供商能够开发各种新型服务，并提高每个设备的平均收益（ARPU）。

成本

Zigbee、蓝牙和DECT都拥有类似的软硬件要求。例如，Zigbee软件栈约为100 Kbytes，DECT软件栈为 60-80 Kbytes（取决于功能）。因此，这两种技术的成本接近。

这意味着，技术的成熟度和产量是决定价格的主要因素。每年3亿件销量的DECT芯片代表了一个健康的多厂商市场，它可以确保较低的组件价格和充足的货源。

当今的单芯片DECT SoC的价格远低于ZigBee SoC的2-3美元价位，而且通常还提供语音编码器、数据转换器等一系列软硬件资源，用于区分各类应用。

共享DECT功能还能为消费者进一步降低系统成本，这也包括现有的IAD。

语音与安全性

虽然语音应用与HACES没有直接联系，但对于几种安全和家庭护理应用而言，语音链路却最为重要。DECT最初是为无绳电话而设计的，因此自然能在家庭之内和之外提供高质量的语音链路。DECT目前支持AES-128加密链路，包括认证算法，而且在链路完整性方面拥有良好的记录。DECT UL保持了同样高的语音质量以及几百万个现有DECT系统中正在使用的语音传输安全机制，因此，可用于搭建类似于当今无线话机那样可防窃听的HAECS网络。

安装、配置、运行和维护

DECT ULE和它的前代无绳电话一样易于安装、配置和运行。

基于一种由所有设备执行的分布式算法（动态信道分配）的自动频率规划功能，可让所有感应器/执行器使用完整的DECT频谱，因此，与其它解决方案相比，简化了配置工作。其星形拓扑结构将网络配置工作简化为一项经过验证的消费者任务。

此外，通过无线方式升级固件（通过ETSI DECT标准的空中软件升级（SUOTA））为ULE网络赋予了前瞻性，提升了网络提供商在现有配置中部署新产品的能力。

附录：无线网络协议对比

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