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，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€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。在無線通訊過程中影響通訊系統(tǒng)性能的因素有發(fā)射機輸出功率P_t、發(fā)射機天線增益G_t、接收機天線增益G_r、接收機接收靈敏度S_r，它們與鏈路預算L的關(guān)系如下：

L = P_t + G_t + G_r - S_r

? ? ? 當鏈路預算L≥鏈路損耗D時，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算的。對于短程無線通訊（SRD）而言，收發(fā)機之間的距離通常較近，因此其鏈路預算非常充足。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路由器，將路由器分別安裝在不同的地方，由每個路由器負責覆蓋一個固定的區(qū)域，這樣可以實現(xiàn)整體的信號覆蓋。但人們很快便發(fā)現(xiàn)了新的問題，當在這些區(qū)域來回走動的時候，手機信號會逐漸變?nèi)?，變灰，直至最終熄滅，過了數(shù)分鐘后又重新連接了新的路由器，此時信號才恢復正常。這個過程中，嚴重的卡頓給人糟糕的網(wǎng)絡(luò)體驗。

現(xiàn)在人們有了新的解決方案——Wi-Fi mesh，其學名又叫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候會和這個路由器進行身份認證和網(wǎng)絡(luò)注冊，然后就可以和這個路由器協(xié)同工作在相同的信道；由于中繼器是附屬于這個路由器的信號轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備，是這個無線路由器的信號延伸，因此其整體而言可以當作一個分布式的Wi-Fi路由器。手機在漫游移動的時候，接收到的始終是來自同一個無線路由器，同一個無線信道的信號，而不是來自多路由器，且獨立不同的無線信道的數(shù)據(jù)，因此手機始終感受不到漫游切換的存在，也就沒有了信道搜索，身份認證，地址分配等一系列耗時幾十秒的網(wǎng)絡(luò)注冊過程，其漫游體驗就好得多。

3、藍牙 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)是藍牙。我們常見的大多數(shù)藍牙設(shè)備都是工作在點對點模式。如下圖所示，手機可以一對一連接到智能手環(huán)，體溫計，耳機，音響，或者筆記本電腦、平板電腦等設(shè)備。

藍牙還可以組建一種2-8個節(jié)點的小型 Piconet網(wǎng)絡(luò)，其中一個設(shè)備做Primary設(shè)備，其余的設(shè)備做 Secondary 設(shè)備；這種模式因為不太常見，所以不為人們所熟知。

藍牙其實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)定為代價的。

近些年，隨著智能家居等新興行業(yè)的蓬勃發(fā)展，人們需要一個規(guī)模更大，通訊距離更遠，擴展性更強的網(wǎng)絡(luò)，此時經(jīng)典藍牙的小型單跳網(wǎng)絡(luò)，點對點和一對多通訊模式等技術(shù)指標已經(jīng)捉襟見肘，于是藍牙國際組織在 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，還可以實現(xiàn)多對多的通訊模式，極大的拓展了藍牙技術(shù)的生態(tài)領(lǐng)域。

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”其實不是藍牙Mesh，而是ZigBee；正因為藍牙是所有手機的標配，而智能家居又大多是以手機作為操作終端的，它才憑借天然的競爭優(yōu)勢乘勢崛起。ZigBee是一項新型的無線通信技術(shù)，其最主要的特點就是低功耗和多跳網(wǎng)絡(luò)，藍牙在補齊了多跳的短板之后，已經(jīng)與之旗鼓相當了，但是其生態(tài)聯(lián)盟要強大太多。雖然在智能家居領(lǐng)域遇到了藍牙Mesh這個強勁的對手，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，藍牙Mesh，ZigBee家庭和ZigBee 工業(yè)是當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)的一個簡要對比：

5.1 技術(shù)點評：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。Wi-Fi mesh帶寬高、單個數(shù)據(jù)包大小發(fā)送速度快，網(wǎng)絡(luò)傳輸延時?。涣硗馄浣K端數(shù)量比較少，通常不超過10個，因此單個節(jié)點的發(fā)送等待時間非常短；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自然就很短；最后還有一點非常重要，那就是在大多數(shù)情況下其用戶都是用手機瀏覽網(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還是非常不錯的。

5.2 技術(shù)點評：Bluetooth mesh

藍牙 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G的帶寬相比根本不值得一提，很顯然在短時間內(nèi)傳輸大量的數(shù)據(jù)不是其強項；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，這個網(wǎng)絡(luò)絕在大多數(shù)時候都是處于空載狀態(tài)的，因此對于這一類應用而言，藍牙m(xù)esh的帶寬已經(jīng)是非常高的了；另外，其通訊距離雖然達到了幾十米，但是這遠遠沒有達到其理論距離300米的極限，因此其信號質(zhì)量仍然還是不錯的，丟包率自然也就很低；還有一點，其網(wǎng)絡(luò)規(guī)模雖然達到幾十個節(jié)點，但是其1-2Mbps的帶寬平攤到每一個節(jié)點的帶寬仍然還是比較高的，因此這個數(shù)量其實并沒有太大的壓力；同時我們注意到，在家庭環(huán)境中，每一戶的面積都有一個大致的上限，其網(wǎng)絡(luò)跳數(shù)自然不可能太大，通常不超過 3 跳；當然，在智能家居應用中，決定其使用體驗的最重要因素還是其業(yè)務(wù)特性。當人們在手機上點擊某個按鈕執(zhí)行開燈操作，此時他一扭頭，去感知房間的燈光變化，這個延時就已經(jīng)達到了幾百毫秒，再加上人類的視覺停留和延遲效應，差不多也都1秒過去了；因此只要這個系統(tǒng)的整體延時不超過 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??！”，因此藍牙Mesh在智能家居這一類的業(yè)務(wù)性質(zhì)中，其整體用戶體驗仍然是不錯的。

5.3 技術(shù)點評：ZigBee

ZigBee的組網(wǎng)技術(shù)在架構(gòu)上和藍牙Mesh是差不多的，雖然其帶寬要低于藍牙Mesh，延時也有一定的增加，但是其在智能家居中的整體使用體驗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，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數(shù)千上萬平米的工廠，礦區(qū)，企業(yè)，學校，醫(yī)院，甚至是幾乎無邊界的城市樓群之間，節(jié)點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；同時在這種應用中，節(jié)點規(guī)模也往往沒有定數(shù)，小的項目可能只有幾個或者幾十個節(jié)點，多的可能高達數(shù)百甚至上千個節(jié)點，網(wǎng)絡(luò)的傳輸?shù)却訒r也會成倍的增長；由于節(jié)點之間的距離比較大，單個節(jié)點的外聯(lián)節(jié)點數(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。還有一點需要特別注意的是，在工業(yè)應用中，數(shù)據(jù)可靠性和實時性要求也比較高，如果應答超過了一定的延遲，通常就會觸發(fā)數(shù)據(jù)重傳機制，當重傳的次數(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)，嚴重情況下還會導致死鎖甚至整體崩潰，這種時好時壞，不太穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)其使用體驗可想而知！

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時性，那么就可能會觸發(fā)數(shù)據(jù)重傳機制，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，讓糟糕的體驗進一步惡化，嚴重情況下甚至會讓網(wǎng)絡(luò)解體。