一文读懂Wi-SUN前世今生 wi-sun物理层标准和Wi-SUN FAN典型架构等
01
wi-sun的起源
wi-sun，全称为wireless utility networks，中文翻译为智能无线网络，是一系列基于ieee 802.15.4为底层协议的标准无线通信网络的统称，主要包括wi-sun fan（wireless utility field area network）和wi-sun han（wireless home area network）。
早在2008年以前，在业界中没有统一的广域物联网无线通信标准，而当时行业中却存在各式各样的广域物联网通信协议，这些协议的相同之处是使用ieee发布的技术标准802.15.4，但在应用层却无法实现互联互通。为了解决这一个复杂的问题，基于ip技术的大规模广域无线网状网络应运而生，简称wi-sun fan（wireless utility field area network）,该标准致力于成为全球的无线网状网络标准并具备互操作性。伴随着标准的落地，负责标准建立及应用推广的组织为wi-sun联盟，同时联盟承担着对标准进行维护和互操作性的承认工作。对于ieee 802.15.4规范，wi-sun联盟以及终端产品的关系，可以对比wi-fi进行深刻理解。
★
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wi-sun和wi-fi对比
ieee 802.15.4：wi-sun的基础规范，应用于wi-sun标准的底层协议phy和mac中；
wi-sun联盟：建立及维护wi-sun标准，负责标准的推广和应用逻辑，以及对嵌入wi-sun协议的产品之间互操作性进行承认；
终端设备：嵌入wi-sun协议的终端设备，设备之间可实现数据的互通。
02
wi-sun标准简介
wi-sun标准主要包含两个子规范，分别是fan和han，其中技术区别及应用场景分别如下：
01
fan
1.支持ieee 802.15.4g的phy层，ieee 802.15.4e的mac层，6lowpan，rpl，ipv6等标准协议；
2.支持数据在节点之间多跳传输；
3.支持多信道的跳频传输；
4.支持aes加密和基于802.1x的身份验证；
5.主要应用在需要多跳传输的智能表计，智慧路灯等密集的城市网络；
02
han
1.支持ieee 802.15.4g的phy层，ieeee 802.15.4e的mac层，6lowpan和ipv6等标准协议；
2.节点之间进行一对一或一对多的数据传输；
3.支持aes加密和基于802.1x的身份验证；
4.主要应用在家庭应用场景，利用中心节点和家庭中各种设备进行一对一或一对多通信；
★
pic.02
fan和han应用场景案例
03
wi-sun fan典型架构
01
应用框架
wi-sun fan的典型应用架构如图3所示，其中fan层为嵌入wi-sun fan stack的智能设备以及各pan网络的路由示意图。wan层不同pan网络的边缘路由节点通过不同通信方式接入到公共网络。
★
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wi-sun fan的典型应用架构
02
fan stack架构
wi-sun fan的协议层级如图4所示，对比osi模型分析，图中绿色背景的transport, network, data link和phy为wi-sun fan标准所定义。
★
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wi-sun fan的协议层级
phy:采用ieee 802.15.4g规范作为物理层标准，该规范是为低功耗、低速率的应用而设计的标准无线通信技术，规定了数据通过无线介质传输的方式，定义了无线电的调制方式，工作频段，通信速率，协议数据单元等参数。
data link：由mac sub-layer和llc sub-layer两个子层组成，其中mac层采用ieee 802.15.4e规范作为介质访问标准，由于无线信号被transmitter和receiver共用，该标准提供了一种机制，来完成时分多址的数据传输功能以及信道访问管理功能。llc层作为逻辑链路控制层在ieee 802.2规范中定义，主要完成数据的可靠性传输及控制，数据包的分段及重组以及数据包的顺序传输。
network:由ipv6, icmpv6, rpl, 6lowpan各子协议组成。6lowpan的全称是ipv6 over low power wireless personal area network，主要作用是作为ipv6和ieee 802.15.4的适配层，将ipv6的数据首部通过协议压缩分组后添加到ieee 802.15.4的载荷中，实现在低功耗无线广域网中使用ipv6技术完成万物互联。rpl的全称是ipv6 routing protocol for low-power and lossy networks，主要完成有损链路互联设备的数据传输路由机制。
transport：在ip协议中，传输协议位于ip协议之上。应用协议不直接使用ip，而是通过传输协议进行相互通信。截止目前为止，udp和tpc为两种最为广泛应用的传输协议。
04
基于ip技术的优势
互通性强
该特型是ip架构的一个突出点，运行在不同特性的链路层之上的ip架构，之间可以实现互相通信，同时ip也能提供了能够与现有网络及应用进行互通的能力。
架构通用、稳定
ip架构的成功已经被证明是可持续发展的，主要归因于ip架构是为应用层协议和机制能够独立于底层网络协议和机制发展而设计的，从而实现端到端的基本原则。对于工业场景下的智能设备，对设备及网络的稳定性和可靠性要求极高，而ip架构的多年应用也足以保证系统的稳定性。
可扩展性高
通过ip架构在因特网上的广泛使用，证明ip架构很注重扩展性。通过全球化的部署表明ip架构可以部署在大量的系统中，并跨越不同底层协议而正常运行。
05
助力wi-sun，技术赋能
基于wi-sun的技术标准，我们设计并开发出多款符合该标准的产品。
作为架构在硬件平台之上的第一层协议，产品的性能参数是phy协议的直接体现，研发完成的首款产品支持902~928mhz的工作频段，符合fcc标准中高达1w的输出功率，同步在接收链路中增加lna进一步提升rx的性能，使通信链路相对现有的微功率无线产品增加约15db，很大程度降低网络层路由机制的复杂程度。产品的分布式电源设计，及优异的热设计保证了产品的稳定性。近期正在开发符合国内标准的衍生系列产品。
对于架构在传输层之上的应用协议，在wi-sun中并未定义，这部分需要根据各开发者根据实际应用完成对应的开发工作。目前我们已经完成基于wi-sun协议栈的多种应用协议开发，包含透明传输、slip协议传输等，同期在进行符合国家电网标准的645协议和1376协议开发工作。
wi-sun是一套基于ip技术的标准lpwan网络协议，其利用全球标准ieee 802.15.4g规范为基础，统一物理层，链路层，网络层及传输层的技术规范，同时在产品测试和规范一致性认证方面做到统一和管理，最终可以确保经过认证产品之间的互通性。因此在嵌入wi-sun协议的所有物联网终端上，如ami中的智能电表、智慧城市中的智能路灯等终端设备上，除了可以实现无线通信的功能，降低产业运维投入，还能实现将这些终端设备连接到一个公共网络上的，比肩互联网通信中的wi-fi技术，实现物联网通信中的wi-sun技术，具备物联网终端设备的通信网络互操作性。
注：文中图片来源于网络。
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早在2008年以前，在业界中没有统一的广域物联网无线通信标准，而当时行业中却存在各式各样的广域物联网通信协议，这些协议的相同之处是使用ieee发布的技术标准802.15.4，但在应用层却无法实现互联互通。为了解决这一个复杂的问题，基于ip技术的大规模广域无线网状网络应运而生，简称wi-sun fan（wireless utility field area network）,该标准致力于成为全球的无线网状网络标准并具备互操作性。伴随着标准的落地，负责标准建立及应用推广的组织为wi-sun联盟，同时联盟承担着对标准进行维护和互操作性的承认工作。对于ieee 802.15.4规范，wi-sun联盟以及终端产品的关系，可以对比wi-fi进行深刻理解。
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wi-sun和wi-fi对比
ieee 802.15.4：wi-sun的基础规范，应用于wi-sun标准的底层协议phy和mac中；
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终端设备：嵌入wi-sun协议的终端设备，设备之间可实现数据的互通。
02
wi-sun标准简介
wi-sun标准主要包含两个子规范，分别是fan和han，其中技术区别及应用场景分别如下：
01
fan
1.支持ieee 802.15.4g的phy层，ieee 802.15.4e的mac层，6lowpan，rpl，ipv6等标准协议；
2.支持数据在节点之间多跳传输；
3.支持多信道的跳频传输；
4.支持aes加密和基于802.1x的身份验证；
5.主要应用在需要多跳传输的智能表计，智慧路灯等密集的城市网络；
02
han
1.支持ieee 802.15.4g的phy层，ieeee 802.15.4e的mac层，6lowpan和ipv6等标准协议；
2.节点之间进行一对一或一对多的数据传输；
3.支持aes加密和基于802.1x的身份验证；
4.主要应用在家庭应用场景，利用中心节点和家庭中各种设备进行一对一或一对多通信；
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fan和han应用场景案例
03
wi-sun fan典型架构
01
应用框架
wi-sun fan的典型应用架构如图3所示，其中fan层为嵌入wi-sun fan stack的智能设备以及各pan网络的路由示意图。wan层不同pan网络的边缘路由节点通过不同通信方式接入到公共网络。
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wi-sun fan的典型应用架构
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fan stack架构
wi-sun fan的协议层级如图4所示，对比osi模型分析，图中绿色背景的transport, network, data link和phy为wi-sun fan标准所定义。
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wi-sun fan的协议层级
phy:采用ieee 802.15.4g规范作为物理层标准，该规范是为低功耗、低速率的应用而设计的标准无线通信技术，规定了数据通过无线介质传输的方式，定义了无线电的调制方式，工作频段，通信速率，协议数据单元等参数。
data link：由mac sub-layer和llc sub-layer两个子层组成，其中mac层采用ieee 802.15.4e规范作为介质访问标准，由于无线信号被transmitter和receiver共用，该标准提供了一种机制，来完成时分多址的数据传输功能以及信道访问管理功能。llc层作为逻辑链路控制层在ieee 802.2规范中定义，主要完成数据的可靠性传输及控制，数据包的分段及重组以及数据包的顺序传输。
network:由ipv6, icmpv6, rpl, 6lowpan各子协议组成。6lowpan的全称是ipv6 over low power wireless personal area network，主要作用是作为ipv6和ieee 802.15.4的适配层，将ipv6的数据首部通过协议压缩分组后添加到ieee 802.15.4的载荷中，实现在低功耗无线广域网中使用ipv6技术完成万物互联。rpl的全称是ipv6 routing protocol for low-power and lossy networks，主要完成有损链路互联设备的数据传输路由机制。
transport：在ip协议中，传输协议位于ip协议之上。应用协议不直接使用ip，而是通过传输协议进行相互通信。截止目前为止，udp和tpc为两种最为广泛应用的传输协议。
04
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互通性强
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ip架构的成功已经被证明是可持续发展的，主要归因于ip架构是为应用层协议和机制能够独立于底层网络协议和机制发展而设计的，从而实现端到端的基本原则。对于工业场景下的智能设备，对设备及网络的稳定性和可靠性要求极高，而ip架构的多年应用也足以保证系统的稳定性。
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注：文中图片来源于网络。
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