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ZigBee无线自组网技术的应用缺陷之二:信号可靠性概率分析

来源:微网高通

从上个世纪90年代开始,网络技术开始逐步进入到人们的日常生活和生产当中,极大的方便了人们的生活并显著地提高了生产效率。网络技术最开始是PC互联网,后来是Wi-Fi和蓝牙技术,最近十年蓬勃发展的移动互联网浪潮则将网络技术提高到了一个前所未有的新高度,其网络技术的安全性和可靠性已经达到了登峰造极的地步,人们的信息获取,社会交往,购物消费和金融交易都可以通过网络进行,我们完全可以说是网络技术的成熟催生了FacebookGoogle,阿里巴巴,腾讯,百度等互联网巨头,网络技术所蕴藏的巨大潜力已被世人逐步发掘出来。

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说到网络通讯自然离不开最底层的物理层的报文传输,试想如果通讯的丢包率很高,整个网络的稳定性和用户体验自然不会太理想。即便是速度本身太慢或者频繁的补发报文导致的网速变慢,想想屏幕上一个小沙漏或者小圆圈在来回翻转就很让人心烦,因此最基本的报文丢包率是一个十分关键的指标。对于有线通讯和无线通讯,对于其自由空间的丢包率有一个基本的数量级概念需要特别关注:

有线网络在封闭的传输介质中传递信号,丢包率为10-910-12,也就是说丢包率为10亿分之一甚至更低;无线网络的丢包率为多少呢,在自然空间中通常只有10-3,也就是千分之一左右,二者之间相差了106,也就是100万倍。如此巨大的报文可靠性差异毫无疑问也会反映到宏观的通讯可靠性上来。

有人会说,既然无线报文的丢包率这么高,为什么手机的无线通讯竟然可靠性这么高呢?

我们首先抛开上网业务不谈,因为上网是数据业务,有TCP补包机制在背后偷偷地进行修复,如果网速本身很快,比如100Mbps4G-LTE通讯,这些只占千分之一的补包“小动作”顶多相当于打个9.99折,也就是99.9Mbps,所以说你根本就不会感觉到任何的不流畅,只有信号极差,差到连TCP机制都无法挽救的时候才会导致掉线;但是语音通讯业务完全不一样,因为语音通讯是实时的,对于通讯延时非常敏感,根本就没有补包的机会和可能性。

那么我们平时在通话的过程中怎么很少感觉到丢包导致的糟糕体验呢?其实语音通讯专门针对信号编码做了特殊的处理,在丢包率不严重的情况下,人的耳朵是很难听出来的,这种技术就是前向纠错(FEC)技术。在连续发送的语音包序列中,每一个语音包通过某种预测的机制都带有后面若干个数据包的信息,预测越远的声音信息,其预测的误差越大。在接收端如果有数据包丢失了,就将前面一个报文中附带的预测信息播放出来,实际上在“欺骗”你的耳朵,这就好比是天气预报,要预测2-3天之后气候情况还是比较准的,要是预测7-10天之后的情况就很有可能完全失准。

至于Wi-Fi和蓝牙技术,人家的定位非常明确,就是办公室或者家庭环境,通常不超过十几米的覆盖半径,而且节点的数量很少。在通讯距离近的时候,信号强度很高,丢包率是很低的,只要距离一远,丢包率就会急剧的升高;在节点数量少的时候,竞争也很甚至没有,因此报文送达的程序率就会非常稳定,竞争频繁的时候,丢包率也会急剧上升。通常Wi-FI的网内节点不会超过8个,蓝牙则更少,绝大部分都是点对点的应用,而且蓝牙本身有跳频机制,对于恒定的持续的干扰信号有较强的躲避能力,因此他们在各自的应用领域都不存在根本性的技术缺陷,再遇上了手机这样的千载难逢的机会,成功那是必须的啊!

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我们回过头来再看看ZigBee无线自组网技术,其核心技术在于自组网机制,从原理上讲这纯碎就是一个软件的算法而已,在物理层上没有引入任何新的东西。而多点组网毫无疑问会引入竞争和碰撞;网络规模越大,节点数量越多,竞争和碰撞越厉害,可靠性也就越差。最要命的是ZigBee无线自组网技术竟然提高嗓门,一遍又一遍的声称自己可以组建超过六万个节点的网络!天啦,你真的见过六万个节点的网络么?就是六千个节点都十分了得啊。据说当初英国有一家非常著名的ZigBee产品供应商,也算是全世界最早一批从事ZigBee无线自组网技术的厂家之一,竟然花了3年时间,耗资数百万美元,反反复复的调试优化,终于将1000个节点的无线组网搞得比较稳定,真要是六万个节点还不得把人家吓得一屁股坐在地上?

人们都说工程师思维害死人,其实老外也不例外。如果真要是将ZigBee的节点网络号码从双字节编码扩展到4字节编码,那么组网规模岂不是可以高达四十亿个节点(232=4294967296)?没有底层的通讯可靠性机制来做保证,这样无底线的玩弄数字游戏显然是地地道道的忽悠伎俩嘛!对比之下,Google旗下的 Thread则表现得像一个十足的“胆小鬼”,竟然号称网络规模可以“高达”250个节点!

ZigBee无线自组网技术刚刚出来的时候,机会似乎还是不错的,但是也仅仅限于“似乎”而已,首先需要强调一点,2001年的时候,Wi-Fi和蓝牙技术已经取得了一定的成功并且在笔记本电脑和手机上占有了一席之地,虽然那时候的市场体量还很小,甚至不足今天的一个零头,但是人家不仅保持住了这个优势,甚至随着市场的发展其优势反而越来越大。再说了,由PC芯片巨头英特尔公司控制的Wi-Fi组织机构和蓝牙特别兴趣小组也不是什么善茬,想切人家的蛋糕那是那么容易的事情呢?好在ZigBee无线自组网技术联盟也还算有自知之明,他并没有拿自己的热脸去贴人家的冷屁股,而是小心翼翼的捧着自己的小泥碗开始了艰辛的“化缘”生涯。

第一个被“有幸”相中的领域就是智能家居,因为工作环境和Wi-Fi以及蓝牙几乎一模一样,位子坐稳定没准还有机会逆袭呢,可惜没有预料到智能家居不是“刚需”,有没有一个十分强势的“丈母娘”在背后做推手,因此智能家居迟迟不能爆发,至于后来被迫辗转工业自动化市场,市政路灯等市场则更是无奈之举,算是后话。

当然上述都是市场的因素,应该说和技术没有太大的关联,但是事情坏就坏在之智能家居这一块目标市场了。为什么这么说呢?因为ZigBee虽然裹挟万能的无线自组网这道天子令牌,但是内心里算计的还是智能家居的这块地盘,其整个的技术体系和市场推广架构几乎针对这种应用量身定制的,后来发现和市场需求脱节太严重,不得不在2007年推翻了原有的框架,又重新来了一遍,但是无论如何都无法彻底摆脱原来的历史包袱。

著名歌手景冈山有一首红遍大江南北的歌曲,叫做《我的眼里只有你》,这首歌曲似乎挺能说明ZigBee此时的心境。除了智能家居还算得上是一个有潜力给其带来翻身逆袭的机会,其他的市场更加碎片化,也基本上看不到什么爆发的机会,ZigBee能看得上眼么?不幸的是,年复一年,坏消息接踵而至,在这过去的十年间挑战者越来越多,Google旗下的Thread,苹果公司的HomeKit,高通公司的AllJoyn,这些国际大牌我们抛开不谈,光是一些被阉割和改动的ZigBee技术都有不少在混迹其中,如果再算上一些私有协议那就更多了,事实上已经没有人知道到底有有多少不同规格的无线自组网协议在争抢这个本就不温不火的“潜力股”呢。

事实上,在430MHz等更低的频带上,无线信号的接收灵敏度要好得多,相同的通讯距离下其信噪比自然也高得多,相应地其误码率自然就低得多,再配合局域的网络划分和调度控制,就可以减小冲突的概率甚至完全消除碰撞,那么系统的稳定性自然可以大幅度的提升,微网高通WiMi-net的无线自组网技术在该环节做了深入全面的支持,我们会在后续的连载文章中为大家奉献精彩纷呈的点评和分析。


点击次数:  更新时间:2017-03-24  【打印此页】  【关闭