WiMinet 評說1.1：多跳無線網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)狀

1、短程無線通訊（ SRD）技術(shù)

近些年，隨著電腦，手機(jī)，智能家居等電子產(chǎn)品的快速普及，無線通訊已經(jīng)深入到人們?nèi)粘Ｉ畹母鱾€(gè)方面，成為人們迅速、方便地獲取信息，和外界保持溝通的重要渠道。對于無線通訊而言，有多個(gè)因素會影響到系統(tǒng)的整體性能，其中通訊距離是非常關(guān)鍵的一項(xiàng)。在無線通訊過程中影響通訊系統(tǒng)性能的因素有發(fā)射機(jī)輸出功率Pt、發(fā)射機(jī)天線增益Gt、接收機(jī)天線增益Gr、接收機(jī)接收靈敏度Sr，它們與鏈路預(yù)算L的關(guān)系如下：

L = Pt + Gt + Gr - Sr

當(dāng)鏈路預(yù)算L≥鏈路損耗D時(shí)，該鏈路在理論上是可以正常通信的。為了確保通訊穩(wěn)定可靠，通訊距離是不能超頻鏈路預(yù)算的。對于短程無線通訊（SRD）而言，收發(fā)機(jī)之間的距離通常較近，因此其鏈路預(yù)算非常充足。在短距離無線通訊技術(shù)中，Wi-Fi 技術(shù)毫無疑問是知名度最大，日常生活使用最多的?，F(xiàn)如今大多數(shù)的城鎮(zhèn)家庭都會在客廳安裝Wi-Fi路由器，其房屋使用面積一般不超過150m2（12m*12m），而室內(nèi)Wi-Fi信號的覆蓋半徑可達(dá)20m，因此一臺普通的路由器能夠做到良好的信號覆蓋。

2、Wi-Fi mesh

在機(jī)場、別墅這樣的場所中，通訊場地面積要大很多，單臺路由器要想實(shí)現(xiàn)良好的信號覆蓋就顯得有些吃力了。早期人們通常的做法是多買幾個(gè)路由器，將路由器分別安裝在不同的地方，由每個(gè)路由器負(fù)責(zé)覆蓋一個(gè)固定的區(qū)域，這樣可以實(shí)現(xiàn)整體的信號覆蓋。但人們很快便發(fā)現(xiàn)了新的問題，當(dāng)在這些區(qū)域來回走動的時(shí)候，手機(jī)信號會逐漸變?nèi)酰兓?，直至最終熄滅，過了數(shù)分鐘后又重新連接了新的路由器，此時(shí)信號才恢復(fù)正常。這個(gè)過程中，嚴(yán)重的卡頓給人糟糕的網(wǎng)絡(luò)體驗(yàn)。

現(xiàn)在人們有了新的解決方案——Wi-Fi mesh，其學(xué)名又叫802.11s。相較于傳統(tǒng)的多路由器方案，Wi-Fi mesh采用的是路由器加中繼器的組合架構(gòu)；這些中繼器在上電啟動的時(shí)候會和這個(gè)路由器進(jìn)行身份認(rèn)證和網(wǎng)絡(luò)注冊，然后就可以和這個(gè)路由器協(xié)同工作在相同的信道；由于中繼器是附屬于這個(gè)路由器的信號轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備，是這個(gè)無線路由器的信號延伸，因此其整體而言可以當(dāng)作一個(gè)分布式的Wi-Fi路由器。手機(jī)在漫游移動的時(shí)候，接收到的始終是來自同一個(gè)無線路由器，同一個(gè)無線信道的信號，而不是來自多路由器，且獨(dú)立不同的無線信道的數(shù)據(jù)，因此手機(jī)始終感受不到漫游切換的存在，也就沒有了信道搜索，身份認(rèn)證，地址分配等一系列耗時(shí)幾十秒的網(wǎng)絡(luò)注冊過程，其漫游體驗(yàn)就好得多。

3、藍(lán)牙 mesh

在短程無線通訊技術(shù)中，另一種較為流行被人們所熟知的技術(shù)是藍(lán)牙。我們常見的大多數(shù)藍(lán)牙設(shè)備都是工作在點(diǎn)對點(diǎn)模式。如下圖所示，手機(jī)可以一對一連接到智能手環(huán)，體溫計(jì)，耳機(jī)，音響，或者筆記本電腦、平板電腦等設(shè)備。

圖-1

藍(lán)牙還可以組建一種2-8個(gè)節(jié)點(diǎn)的小型 Piconet網(wǎng)絡(luò)，其中一個(gè)設(shè)備做Primary設(shè)備，其余的設(shè)備做 Secondary設(shè)備；這種模式因?yàn)椴惶Ｒ姡圆粸槿藗兯熘?/p>

圖-2

藍(lán)牙其實(shí)還有一種更不常見的網(wǎng)絡(luò)模式，就是 scatter net，這種模式下雖然可以組成一個(gè)稍微大一些的網(wǎng)絡(luò)，但是卻是以犧牲其帶寬和穩(wěn)定為代價(jià)的。

圖-3

近些年，隨著智能家居等新興行業(yè)的蓬勃發(fā)展，人們需要一個(gè)規(guī)模更大，通訊距離更遠(yuǎn)，擴(kuò)展性更強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)，此時(shí)經(jīng)典藍(lán)牙的小型單跳網(wǎng)絡(luò)，點(diǎn)對點(diǎn)和一對多通訊模式等技術(shù)指標(biāo)已經(jīng)捉襟見肘，于是藍(lán)牙國際組織在 2017年7月17日發(fā)布了Bluetooth Mesh的技術(shù)。新的藍(lán)牙Mesh技術(shù)除了增加發(fā)射功率，支持更多的跳數(shù)和更大的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模之外，還可以實(shí)現(xiàn)多對多的通訊模式，極大的拓展了藍(lán)牙技術(shù)的生態(tài)領(lǐng)域。

圖-4

4、ZigBee技術(shù)：家庭和工業(yè)

有意思是的是，在智能家居領(lǐng)域無線通訊技術(shù)的“拓荒者”其實(shí)不是藍(lán)牙Mesh，而是ZigBee；正因?yàn)樗{(lán)牙是所有手機(jī)的標(biāo)配，而智能家居又大多是以手機(jī)作為操作終端的，它才憑借天然的競爭優(yōu)勢乘勢崛起。ZigBee是一項(xiàng)新型的無線通信技術(shù)，其最主要的特點(diǎn)就是低功耗和多跳網(wǎng)絡(luò)，藍(lán)牙在補(bǔ)齊了多跳的短板之后，已經(jīng)與之旗鼓相當(dāng)了，但是其生態(tài)聯(lián)盟要強(qiáng)大太多。雖然在智能家居領(lǐng)域遇到了藍(lán)牙Mesh這個(gè)強(qiáng)勁的對手，但在工業(yè)無線通訊中ZigBee技術(shù)依然可以憑借其十余年的先發(fā)優(yōu)勢而占據(jù)優(yōu)勢地位，特別是在工業(yè)SCADA系統(tǒng)，油田、電力、礦山等領(lǐng)域的無線傳感器應(yīng)用方面占有較高的市場份額。

5、多跳無線組網(wǎng)技術(shù)的對比

Wi-Fi Mesh，藍(lán)牙Mesh，ZigBee家庭和ZigBee工業(yè)是當(dāng)下流行的幾種多跳無線組網(wǎng)技術(shù)，這幾種技術(shù)有相似之處，但在某些方面又存在巨大的差異，下圖是這幾種技術(shù)的一個(gè)簡要對比：

表-1

5.1技術(shù)點(diǎn)評：Wi-Fi mesh

從表-1可以看出，上述每一種多跳無線技術(shù)在其主要使用場景和業(yè)務(wù)形態(tài)上都比較充分地展現(xiàn)了自身的技術(shù)特點(diǎn)。Wi-Fi mesh帶寬高、單個(gè)數(shù)據(jù)包大小發(fā)送速度快，網(wǎng)絡(luò)傳輸延時(shí)?。涣硗馄浣K端數(shù)量比較少，通常不超過10個(gè)，因此單個(gè)節(jié)點(diǎn)的發(fā)送等待時(shí)間非常短；還有其網(wǎng)絡(luò)規(guī)模都不是太大，通常不超過2跳，如此一來端到端的通訊延時(shí)自然就很短；最后還有一點(diǎn)非常重要，那就是在大多數(shù)情況下其用戶都是用手機(jī)瀏覽網(wǎng)頁，網(wǎng)絡(luò)購物或者文字聊天，這種業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)量本身比較小，且對于數(shù)據(jù)延遲不太敏感；但播放高清視頻、網(wǎng)絡(luò)游戲?qū)崟r(shí)對戰(zhàn)就會有較為明顯的卡頓。因此Wi-Fi mesh在大部分場景下的使用體驗(yàn)還是非常不錯(cuò)的。

5.2技術(shù)點(diǎn)評：Bluetooth mesh

藍(lán)牙 mesh功耗低、帶寬僅有1~2M，和Wi-Fi技術(shù)動輒數(shù)百兆甚至幾個(gè)G的帶寬相比根本不值得一提，很顯然在短時(shí)間內(nèi)傳輸大量的數(shù)據(jù)不是其強(qiáng)項(xiàng)；但是在智能家居領(lǐng)域，傳輸?shù)拇蠖嗍且恍┰O(shè)備的開關(guān)狀態(tài)信息或者控制信號，其單次傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量通常也就是幾十個(gè)字節(jié)，而且這種操作并不頻繁發(fā)生，一天也沒有多少次，這個(gè)網(wǎng)絡(luò)絕在大多數(shù)時(shí)候都是處于空載狀態(tài)的，因此對于這一類應(yīng)用而言，藍(lán)牙m(xù)esh的帶寬已經(jīng)是非常高的了；另外，其通訊距離雖然達(dá)到了幾十米，但是這遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有達(dá)到其理論距離300米的極限，因此其信號質(zhì)量仍然還是不錯(cuò)的，丟包率自然也就很低；還有一點(diǎn)，其網(wǎng)絡(luò)規(guī)模雖然達(dá)到幾十個(gè)節(jié)點(diǎn)，但是其1-2Mbps的帶寬平攤到每一個(gè)節(jié)點(diǎn)的帶寬仍然還是比較高的，因此這個(gè)數(shù)量其實(shí)并沒有太大的壓力；同時(shí)我們注意到，在家庭環(huán)境中，每一戶的面積都有一個(gè)大致的上限，其網(wǎng)絡(luò)跳數(shù)自然不可能太大，通常不超過 3跳；當(dāng)然，在智能家居應(yīng)用中，決定其使用體驗(yàn)的最重要因素還是其業(yè)務(wù)特性。當(dāng)人們在手機(jī)上點(diǎn)擊某個(gè)按鈕執(zhí)行開燈操作，此時(shí)他一扭頭，去感知房間的燈光變化，這個(gè)延時(shí)就已經(jīng)達(dá)到了幾百毫秒，再加上人類的視覺停留和延遲效應(yīng)，差不多也都1秒過去了；因此只要這個(gè)系統(tǒng)的整體延時(shí)不超過 1秒就已經(jīng)算是很快了，大多數(shù)人的第一感受是“哇，好快?。　保虼怂{(lán)牙Mesh在智能家居這一類的業(yè)務(wù)性質(zhì)中，其整體用戶體驗(yàn)仍然是不錯(cuò)的。

5.3技術(shù)點(diǎn)評：ZigBee

ZigBee的組網(wǎng)技術(shù)在架構(gòu)上和藍(lán)牙Mesh是差不多的，雖然其帶寬要低于藍(lán)牙Mesh，延時(shí)也有一定的增加，但是其在智能家居中的整體使用體驗(yàn)仍然可以較好地滿足人們的要求；但是到了工業(yè)場所，情況就有所不同了。首先一點(diǎn)，通訊距離不再受限于使用區(qū)域的限制，由于是部署在是高達(dá)數(shù)千上萬平米的工廠，礦區(qū)，企業(yè)，學(xué)校，醫(yī)院，甚至是幾乎無邊界的城市樓群之間，節(jié)點(diǎn)之間的通訊距離可到幾百米甚至上千米，信號衰減要大得多，丟包率自然也就高得多；同時(shí)在這種應(yīng)用中，節(jié)點(diǎn)規(guī)模也往往沒有定數(shù)，小的項(xiàng)目可能只有幾個(gè)或者幾十個(gè)節(jié)點(diǎn)，多的可能高達(dá)數(shù)百甚至上千個(gè)節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)的傳輸?shù)却訒r(shí)也會成倍的增長；由于節(jié)點(diǎn)之間的距離比較大，單個(gè)節(jié)點(diǎn)的外聯(lián)節(jié)點(diǎn)數(shù)目就比較小，因此其網(wǎng)絡(luò)跳數(shù)往往都比較大，多的甚至都超過了 8跳，那么端到端的傳輸延遲自然就更大了。還有一點(diǎn)需要特別注意的是，在工業(yè)應(yīng)用中，數(shù)據(jù)可靠性和實(shí)時(shí)性要求也比較高，如果應(yīng)答超過了一定的延遲，通常就會觸發(fā)數(shù)據(jù)重傳機(jī)制，當(dāng)重傳的次數(shù)到了一定的數(shù)量，就會判定為通訊失敗。在某些配置下，網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過多次通訊失敗可能會引發(fā)局部重構(gòu)，嚴(yán)重情況下還會導(dǎo)致死鎖甚至整體崩潰，這種時(shí)好時(shí)壞，不太穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)其使用體驗(yàn)可想而知！

6、總結(jié)

從上述分析我們可以看出，多跳的無線網(wǎng)絡(luò)在低速率，長距離，高誤碼率的情況下，其通訊可靠性和端到端的整體延時(shí)會有比較明顯的增加；如果業(yè)務(wù)類型又要求比較高的實(shí)時(shí)性，那么就可能會觸發(fā)數(shù)據(jù)重傳機(jī)制，而過于頻繁的重傳請求在某些情況下會適得其反形成網(wǎng)絡(luò)振蕩，讓糟糕的體驗(yàn)進(jìn)一步惡化，嚴(yán)重情況下甚至?xí)尵W(wǎng)絡(luò)解體。

審核編輯 黃宇