到2023年，预计工业互联网的数量（IIOT）积极连接的数量将超过460亿，在未来四年内代表140％的惊人增长。Ioiot应用程序，如远程监控和预测维护，需要大量的传感器网络，可以连续捕获资产和其运行环境的粒度数据。随着边缘数据采集点和流量的爆炸，工业公司仍然是可扩展的机器到机器（M2M）通信架构。
从一开始，工程可扩展的解决方案可最大限度地减少对未来昂贵修改的需求，从而确保了长期回报投资（ROI）。但是，建立这种架构并没有没有挑战。选择正确的“最后一英里”连接时，有许多因素需要考虑。
6设计可扩展IIOT通信解决方案的注意事项
1.网络容量
网络容量是指一个网络在给定时间内能够处理的流量。随着终端节点数量的不断增长，高网络容量允许系统无缝、可靠地运行。
在无线工业物联网网络中，无线电资源受限引起的自干扰是影响网络容量的首要问题。部署在彼此操作范围内并使用相同频带发送数据的设备会竞相使用共享的无线电资源。设备密度越高，网络中数据传输越频繁，多个消息同时发送的可能性就越大。这将导致数据包冲突，并最终导致数据丢失。
通常，许多低功耗无线技术采用的轻量级、异步介质访问控制(MAC)协议，如ALOHA，会使自干扰进一步复杂化。在减少复杂开销和最终的功耗的同时，纯粹的异步系统导致终端节点之间不协调的通信，这增加了冲突的可能性。
有效利用有限的无线电频谱，也称为频谱效率，是消除自干扰和提高整体能力的关键。这可以通过使用信号的低带宽和较短的无线电“广播”时间(数据包通过媒体从源到目的地的时间)来实现。一项精心设计、频谱效率高的无线电技术，只需使用一个基站，就可以提供一个庞大的网络容量，每天发送数百万条信息。
2.播干扰
Intersystem干扰是对有效运营的另一个主要威胁和IIT通信网络的可扩展性。这个问题通常是由同一许可工业，科学和医疗（ISM）频带中多个无线电信号的共存引起的。
2.4 GHz ISM频段是遗留工业应用和系统中使用最广泛的频率，因此也是最拥堵的频段。使用该波段的无线技术很容易受到各种来源的显著电磁干扰，比如Wi-Fi集线器、蓝牙手机、微波能量、射频照明、工业加热器和焊接设备。如果您的工业设施中的所有2.4 GHz通道都已饱和，则不建议将其用于其他工业物联网部署。
使用较少拥挤的子GHz ISM频带，例如902-928 MHz，可以部分缓解干扰问题。尽管如此，这些乐队现在也在增加普及。为了最好地解决共享频谱中的近未来指数流量，系统设计人员应配备其具有强大的干扰弹性无线技术的IIOT架构。跳频和信道编码（即前向纠错）是采用的常用技术来提高系统鲁棒性。
3.网络设置，管理和维护
管理10个传感器和管理1000个传感器是完全不同的两种情况。理论上的网络容量可能听起来令人印象深刻，但如果它涉及到极其复杂的网络配置和管理，制造商很可能无法找到必要的it能力进行扩展。
网络拓扑的选择可以决定计划和行政努力所要求的。例如，通过短距离无线技术广泛采用的网状拓扑，可以比广域解决方案的星形拓扑更复杂。通常是时候，网状网络需要安装充当路由器的额外设备，而不是捕获重要数据，而是仅实现所需的覆盖范围。因此，冗余是这些网络的内在部分，可以使管理活动复杂化。
图1:Mesh vs Star Topology。
电池寿命是在实践中实现设备维护和可扩展性的另一个关键方面。维护成本占无线传感器网络中总体所有权总成本的大量比例。想象一下，一千个现场传感器远程部署的千场传感器以及每隔几天替换电池的需要繁多。
4.通信安全
所有工业物联网对话都涉及到安全问题，除非通信技术配备了一个通用的、经过良好验证的加密方案，否则在不断扩大的工业物联网网络中，安全的数据传输将是一个巨大的挑战。
高级加密标准（AES）是全局验证的邮件加密标准，以保护数据机密性，完整性和真实性，以防止窃听和其他恶意尝试。通常，可以基于AES密码块计算基于密码的消息认证码（CMAC）。由于其低功耗，高速和高吞吐量，AES算法非常适合于无线传感器网络。
5.互操作性
可伸缩性和互操作性本质上是相辅相成的，而长期互操作性的关键是标准。标准为第三方开发人员建立了一致和透明的技术模型，以便将通信协议轻松集成到各种IoT设备和应用平台中。
可扩展系统的一个重要方面是其适应即将到来的技术趋势和灵活地与企业需求发展的能力。在此上下文中，实现行业标准协议允许Ioiot架构中的动态硬件和软件更改，而不会产生停机或过度延迟。
6.网络寿命
寻找可扩展IIOT架构的制造商还应考虑通信技术的寿命。多年来，长寿反映了IOT系统的稳定运作，没有可预见因网络停机而被预见的中断。
昂贵的工业资产和关键基础设施往往具有很长的寿命（几十年），但某些无线技术已经在逐步逐步淘汰。选择忽略这些技术即将落日的系统设计师可能会发现自己几年沿着道路上拥有数千台断开连接的设备。对齐网络和设备寿命应该是公司长期IOT战略中的核心支柱。
评估不同的通信选项
今天，存在着大量的无线通信技术，每一种技术都具有不同程度的可扩展性和对大规模工业物联网传感器网络的适用性。
图2物联网无线技术定位
蜂窝网络(3G、LTE等)和工业无线局域网(基于IEEE 802.11标准)等高带宽技术主要用于数据密集、时间敏感的应用，如安全摄像头、语音通信、工业路由器、监控和数据采集(SCADA)系统等。缺点是，极高的功率要求使它们无法支持大规模的电池驱动传感器网络。蜂窝技术还引起了对网络寿命的相当大的关注。到2018年，全球大多数主要电信公司都宣布关闭其2G业务，而3G夕阳业务目前正在推出。
基于IEEE 802.15.4标准的短距离技术如ZigBee和Wirelesshart等标准，由于数据速率较低（例如250 kbps），对功耗更加优化。在2.4 GHz频段中运行，由于信号衰减和衰落的高速率，它们的物理范围仅限于几十米。为了提高覆盖范围和可扩展性，这些技术大多部署在网状拓扑中。尽管如此，中继网格功能很容易缩短电池寿命，因为设备必须不断地“收听”，以便需要通过它们中继的消息。
基于ieee802.15.4的网状网络的可扩展性受到多种因素的制约。首先，尽管从理论上讲，节点可以根据需要添加，这增加了网络规划和管理的复杂性——正如前面讨论的，在实践中限制了它们的容量，只有几百个设备。由于这些网络往往无法扩展到中等范围以外的应用程序，它们在地理上分散的工业园区的部署受到了阻碍。更重要的是，IEEE 802.15.4技术在拥塞的2.4 GHz通道中暴露于大量的系统间干扰，可能会限制网络扩展。
利用子GHz频段和非常低的数据速率来降低路径损耗，提高接收器灵敏度，低功耗广域网（LPWAN）提供出色的范围，覆盖范围和数据传播。长波长允许LPWAN信号在公里上行进，深深地穿透墙壁，建筑物，以及其他“重”物理障碍物。因此，它们在结构密集，螺纹道环境中提供比2.4 GHz信号更可靠的数据传输，如矿山，炼油厂和其他制造设施。
由于星形拓扑，深睡眠模式和轻量级MAC协议的组合，在电池寿命方面，LPWAN是胜利者。请注意，LPWAN的出色范围和功率效率都以数据速率的成本实现。因此，这些网络最适合于条件监测，设施管理和预测性维护IIOT应用，其中潜入延迟。
由于它们对网络容量和干扰免疫力的差异，可扩展性极大地变化了LPWAN系统。更重要的是，并非所有LPWAN解决方案都以严谨的行业标准为基础，其中一些人缺乏多功能，有效的安全方案，如AES。到目前为止，全球标准开发组织只标准化了一家LPWAN技术的两个阵营，因此验证了他们的服务质量和长期可扩展性。一个是蜂窝LPWAN，包括NB-IOT和LTE-M实现3GPP标准。另一个是Mioty™ - 在低吞吐量网络 - TS 103 357上实施新的ETSI标准的新兴技术。
作为一个关键结论，可扩展的工业物联网架构需要一种通信解决方案，能够在不影响系统性能的情况下支持网络的持续扩展。对于结构密集、区域广泛的工业环境中的电池供电传感器网络，LPWAN提供了最可行的可扩展解决方案。现在有多种可用的技术，系统设计人员应该全面考虑决定可伸缩性的关键因素——从技术和操作的角度。
提交：物联网•IIT•物联网•行业4.0
