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SiliconLabs解读Wi-SUN专为智慧城市而构建的协议

在全球对提高可持续性、减少温室气体排放和废弃物以及有效利用资源的需求推动下,世界各地的城市正在大踏步的向智慧城市转型。智慧城市的设计其基本目标是改善城市运营以及提高居民的整体生活质量,是利用物联网技术的进步来有效管理城市资产、资源和服务。智慧城市将现代城市生活的各个方面数字化,包括公共事业、市政服务、交通控制和公共交通,以及水和废弃物处理系统网络。

全球城市人口快速增长成为促进智慧城市全面转型的关键驱动因素。据估计,每周有130万人从农村迁移到城市地区,而联合国预计,到2050年,世界上68%的人口将居住在城市中心。城市人口的增长给城市的基础设施带来了沉重压力,反之城市也对环境以及我们有限的自然资源造成了巨大压力。

设计以人为本、以环境为中心的解决方案

智慧城市的基础技术库是基于互联网和通信技术。随着实地的传感器和连接的增多,以及数据中心运行的算法越来越多,必然会产出更智能、更高效的决策。然而,我们应该谨慎地看待智慧城市的这种愿景,避免只关注每个问题的技术方面。智慧城市设计试图解决非常复杂的人类问题。城市是基础设施、组织和居民的互联网络。与每一个有机复杂系统一样,它的主要属性在于其复杂性,而不是它的细分或子实体。正如二十世纪的生态学先驱者所揭示的那样,为了获得最佳结果,应该将这些复杂的系统(想想蚁群、表土层或美国选民系统)作为一个整体来对待。单独与部分交互或修改部分很少能引起整个系统的改进。换句话说,在我们的城市冲突中盲目地投入更多的技术,最好的情况是问题不再恶化,最坏的结果是弊端大于利好。我们需要记住,城市是一个互联互通的实体网络,一个大规模的社会有机体。

因此,对于智慧城市采取更具建设性的方法首先要将整个城市系统视为一个整体,如果解决一个问题而不考虑其生态状况,那么可能会导致更多、更严重的问题。例如,一个城市的目标可能是通过提高电力网络效率来减少能源消耗,从而减少温室气体排放。然而,居民可能因为看到更便宜的能源账单,不再严格限制自己的能源使用,这使得系统回到能源平衡点,从而消耗与以前相同或更多的能源。

在这个程度上,智慧城市技术先驱者们需要强调其解决方案的全局影响以及在个体层面的相互关系。因此,一项可靠且可持续地颠覆城市运营方式的技术,它必须考虑到城市的广度和深度。虽然智慧城市的许多理想(抽象的现代设计、飞行投送无人机和自动驾驶汽车)和共有的主题可能会成为现实,但这一愿景侧重于技术解决方案,而将人的因素排除在外了。

使用 Wi-SUN连接各个节点

对人类和环境价值的强调并没有削弱当前技术解决方案所提供的丰富性,这里说的技术解决方案即大数据和物联网。物联网网络显露了可以引发巨大建设性影响的宝贵杠杆点,而城市规划者才刚刚开始挖掘它们的潜力。技术参与者必须成为智慧城市发展的指南,并确保城市部署灵活且包容的自适应无线平台。随着越来越多的公司和组织认识到设计高效智能城市的独特细微差别,电子行业正在朝着智能城市应用的无线标准化发展、迈进。

2011年,一群有远见的领导者发起了基于IEEE 802.15.4g标准的可互操作智慧城市网络的构想,成立了Wi-SUN(无线智能泛在网络)联盟。Wi-SUN拥有超过300家成员公司,利用广泛采用且久经验证的行业标准来实现开放的、可互操作的解决方案生态系统,为未来的智慧城市网络提供了无限可能。

Wi-SUN场域网络(FAN)是一种高度稳健、低功耗的物联网无线网状网络,它拥有众多支持大规模物联网网络的数据速率选项。将 Wi-SUN确立为真正的智慧城市协议,其原因在于它可以支持现有和新兴应用的可扩展性、安全性、互操作性和广度。Wi-SUN还允许使用模式切换技术去根据应用需求来调整数据速率。到目前为止,大多数智慧城市应用还一直在使用专有网络,这些专有网络通常是为特定应用设计的,安全性和升级灵活性有限。它们通常还使用“星型”架构,其中的设备要与基站接收器进行通信。

另一方面,Wi-SUN是一种自构建、自修复的网状网络,支持数千个节点,不依赖于一个基站,从而提高了其可靠性和弹性。Wi-SUN FAN架构可以在有连接问题时不断地在这数千个节点之间重新路由数据,让设备在最需要的时候(例如在极端风暴、网络攻击、和/或电力使用限制导致轮流停电)获得完整的网络连接以及整个城市的持续服务支持。与传统的LPWAN(低功耗广域网)相比,Wi-SUN提供更高的数据速率和更低的延迟(见表格),以及低功耗、安全性和互操作性。

此外,Wi-SUN FAN在数据速率和能耗方面提供了灵活性,使用户能够更广泛地处理智慧城市和其他应用。智慧城市应用对底层网络基础设施提出了很高的要求,需要高度的安全性、可靠的连接性、发生故障或条件变化时的弹性等等。Wi-SUN FAN以极少的额外基础设施,在从农村到人口密集的城市社区的各种地形环境中提供安全、经济高效且弹性的连接。

今天的智慧城市发展面向智能计量、智能路灯系统、公共安全、交通监控、噪音检测和污染监控,所有这些都是Wi-SUN的应用目标。Wi-SUN也非常适合其他领域,例如将智能城市传感器(废弃物管理、自动售货机)和DER(分布式能源)集成到电网中。

保护我们城市最易受攻击的资产

Wi-SUN 的安全优势是该协议实现差异化的另一个因素,为智慧城市的设计创造了巨大的机会。随着医院、政府机构、公共交通、商业组织和电网越来越容易受到网络攻击,必须制定对风险的零容忍安全标准。城市正在成为互联城市网络中的节点,而互联城市系统的薄弱程度取决于其最薄弱的环节,这就使在网络安全性方面不能做任何妥协。Wi-SUN为用户的安全和保障而创建,具有许多内置的安全功能以确保操作安全,其中最重要的一项是安全认证,可一直追溯到云提供商,要知道目前这并不是大多数协议的标准规范。

Wi-SUN还在设计网络时遵循网络安全规则,以确保可靠运行,包括端到端安全、加密、密钥管理和安全漏洞时的网络隔离。Wi-SUN的一个独特功能是其本地公钥基础设施(PKI)集成、基于证书的相互身份验证以及经过验证的数据加密和密钥交换算法。Wi-SUN FAN访问控制基于PKI并仿照Wi-Fi安全框架。每个Wi-SUN设备还具有由认证机构在其制造点签署的唯一证书。

智慧城市计划将人类生活质量和环境影响提升到更高标准,而与城市基础设施生态系统合作并在其系统内工作的企业可能会获得最大的回报,因为他们的项目有更高的可持续成功的机会。Wi-SUN在构建过程中牢记这一理念,其技术特性使城市规划师和技术架构师能够成功连接城市的基础设施并适应未来发展,最终为居民和环境资源带来利益。

在未来几年,我们将继续看到物联网的进步将影响全世界向智慧城市去过渡。在改造城市基础设施和市民生活时,如何平衡城市的众多要素仍然是非常重要的,正如在个人和群体层面去平衡如何推进技术、促进可持续性和提高生活质量。

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